氢气能关闭细胞能量代谢研究解读

氢气的生命进化地位非常高，氢气的广泛生物学作用，提示氢气可能对生命最核心的能量物质代谢过程产生影响，但是至今我们对氢气作用的核心过程了解不够，导致学术界对氢气的生物学地位认识不足。最近来自希腊的一项研究论文发现氢气能关闭代谢过程，这可能会打破这种局面，给氢气的效益机制研究提供新的研究范式。氢思语最近重点给大家解析该文章，希望氢友关注。

地球上的生命和各种环境条件密切相关，生命需要和生存环境进行物质和能量交换，这需要各种各样的化学反应，新陈代谢是生物体中维持生命的所有化学反应的总和。

新陈代谢主要包括能量代谢和物质代谢，1）能量代谢，如光能转换成化学能的光合作用，或者有机物转化为能量的异养生物。2）物质代谢，构成生物体的蛋白质、脂质、核酸、碳水化合物等生物分子的合成和分解。3）代谢废物的排泄。

这些化学反应在酶催化下，使生物体得以生长、繁殖、维持结构，并对环境刺激做出反应。特别是对环境刺激的反应使生命体在不同的温度、压力、生长介质或酸化条件下继续生存。因为它们独特的蛋白质特性能够在活性和稳定性之间保持平衡。

代谢速率控制是最经典的科学问题之一，与保存、发酵速率控制甚至延长寿命等有关。虽然防腐剂和气调保鲜技术(MAPs)是为了控制代谢速率而开发的，但迄今为止发现的唯一能够实现代谢完全停止的方法是降低温度(超低温保存/低温法。与其他阻断特定代谢途径的技术不同，低温条件会使蛋白质变硬。每一个生化反应活性都是基于酶的构象柔性。构象柔性在许多代谢过程中起着关键作用，可以定义为蛋白质在作用过程中或在不同温度下构象改变的容易程度。构象改变会导致蛋白质功能改变，是许多蛋白质活性调节的核心问题，我们经常遇到的磷酸化调节，配体受体结合调节，氧化还原调节，泛素化调节等都是通过影响蛋白质构象发挥作用。

关于蛋白质构象，我们比较熟悉的概念是变构现象。一个蛋白质与其配体结合后，蛋白质的空间结构发生改变，调节了蛋白质的生物学功能，使它适合于功能的需要这一类变化称为变构现象。

蛋白质的灵活性(有序-无序)决定了与底物相互作用和反应产物释放，这两者对蛋白质催化都很重要。因此，了解蛋白质构象柔性是理解蛋白质功能的激活或抑制，实现控制细胞代谢速率的关键途径。理论上，极度低温可阻止新陈代谢。不过低温后再恢复生理状态的机会很低，且生物体往往无法维持其生存能力。主要原因是在非常低温度下，细胞内外形成水的结晶体，会破坏脂类和蛋白质等大分子结构。此外，低温还会导致胞内可溶性化合物均匀性被打破，这主要取决于它们的凝聚点。为了避免这些物理影响，使用有毒性的抗冻剂，这会使恢复常温后更加复杂和困难。到目前为止，在极低温条件下因为长时间新陈代谢停滞，长期生存被证明几乎不可能实现。代谢抑制方法包括对能量代谢过程的全面抑制，如相关蛋白的转录和翻译，以及使用ATP的重要细胞功能。

Ohsawa等人(2007)在医学上发表了一篇里程碑式的文章，报告氢分子(Η2)是一种新型的选择性抗氧化剂。一些已发表的报告认为，氢气具有信号分子的功能，在信号转导中发挥多种作用。事实上，基因表达微阵列分析表明Η2治疗后46.5%的改变基因属于信号通路(2016)。然而目前发现代谢和氢气的作用之间的联系很有限。Cheng等(2020)提出，富氢水通过蛋白质分子疏水界面的局部变化，诱导胃蛋白酶力学性质的改变。Kiminura等(2016)表明，长期饮用氢水可诱导小鼠脂肪酸和类固醇代谢相关基因表达。太田成男教授(2021)仍然坚持2007年的观点，氢气表现出抗氧化作用，保护细胞免受氧化应激，可能仍是氢气直接中和体内强氧化剂实现。在这篇文章中，我们描述了氢气是一种替代低温法的代谢阻滞方法。暴露在纯氢气环境中(100% 氢气)，生物体新陈代谢停止，生物体有很高的恢复机会。分子动力学(MD)模拟是揭示蛋白质对不同环境适应的蛋白质范围内或局部波动的可靠方法，能发现原子尺度上可能有助于这种适应的分子结构顺序，采用这种方法分析的结果支持上述结论。作者认为，纯氢气暴露导致的代谢停止是由于氢气诱导了蛋白质的热稳定性增加。作为一种新保鲜策略，代谢阻滞可用于许多生物体。例如水果粮食保鲜，动物肉蛋保鲜，移植用器官保护，微生物和植物等存储等。

一、研究方法

1、生物体和培养条件

在所有实验中，无菌培养单细胞绿藻。取125 mL密闭瓶(直径5cm，高度9.5 cm)，每mL培养基初始接种细胞体积浓度为1 μL。每瓶培养基体积为50 mL，实验开始时，瓶子的其余部分填充空气。

实验在一个温控室(28℃)内进行，光照强度约为100 μmol m-2 s-1。每天在同一时间采样，在无菌条件下不打开烧瓶使用无菌气密针抽取。上述过程都保留样品。

2细胞生长分析

细胞生长率通过PCV，PCV测定根据Papazi等的方法。通过5分钟1500g离心，用 μL为单位表示，类似红细胞压积。红细胞压积（PCV）是旧称，现在称红细胞比容（Hct），是指一定量的抗凝全血经离心沉淀后，测得下沉的红细胞占全血的容积比，是一种间接反映红细胞数量大小及体积的简单方法。

3光合效率荧光分析

植物效率分析仪可以检测光合器官的分子结构和功能，以及用荧光诱导法测定微藻的生存能力。这种方法是基于快速荧光瞬态的测量，分辨率为10 μs，时间跨度为40 μs到1 s。12bit测定荧光位分辨率，由三个提供饱和光的发光二极管激发，强度为3000 μmol m-2 s-1红色的光。光合效率表示为Fv/Fm，根据Butler和Kitajima(1975)和Strasser（2004）等人测量的方法。经过充分暗适应后，所有电子门均处于开放态，打开测量光得到Fo，此时给出一个饱和脉冲，所有的电子门就都将该用于光合作用的能量转化为了荧光和热，此时得到的叶绿素荧光为Fm。根据Fm和Fo可以计算出PS II的最大量子产量Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，它反映了植物的潜在最大光合能力。

4、气相色谱+热导分析氢气和氧气

色谱和TCD热导检测器进行氢、氧和氮的测量。顶空分离氢氧氮气，用氩气作为载气，气压为5巴，烘箱温度为120摄氏度。毛细管Vici Metronics MC (Poulsbo, USA)，长度30 m(直径0.53 mm)，薄膜厚度为20 μm。TCD的检测器温度设置为200℃，注入器温度为180℃。参考标准浓度定量氢气和氧气。

5、分子模拟（这部分内容我看不懂，错误也无法识别）

分子模拟方法利用求解牛顿运动方程提供原子位置轨迹。

利用计算机以原子水平的分子模型来模拟分子结构与行为，进而模拟分子体系的各种物理、化学性质的方法。它是在实验基础上，通过基本原理，构筑起一套模型和算法，从而计算出合理的分子结构与分子行为。分子模拟不仅可以模拟分子的静态结构，也可以模拟分子体系的动态行为。

模拟分子轨迹代表了分子运动的真实描述，从微小振动到大规模的构象转变，从而成为蛋白质结构灵活性的定量指标。本研究使用了两个这样的指标:(a)蛋白质/肽对升温的响应，(b)它们的振动光谱。

蛋白质主链N H键灵活性具有温度依赖性(Λ)可以估算不同环境下的热稳定性(氧气, 氢气)，这很容易从分子模拟轨迹中得到。过大Λ值与温度升高时较高无序度、较高温度依赖性或蛋白质主干灵活性增加有关。另一方面，在不同环境(氧气, 氢气)下，一个小肽振动谱可能与快速(局部)运动和缓慢(累积)运动有关。在此，我们同时在相同的分子模拟水平上研究了菠菜中主要的捕光复合物(LHCII)三聚体、人细胞色素c5和丙氨酸二肽在氢气和氧气条件下的刚性和柔性模式。

每个捕光复合物/细胞色素c5LHCII/ c5系统在温度为280K、310K和340K的恒压系统(1atm)下使用了4个300ns的独立轨迹进行生产作业，并对所有轨迹的结果进行平均。LHCII/ c5的累计模拟时间为3.6μs。对于丙氨酸二肽模型，在nVE系综上分别进行了4次独立的运行，每次300ns，通过傅里叶变换二肽中羰基偶极矩波动的自相关函数(累积模拟时间6.0μs)计算振动光谱。

没有氢气时，牛顿运动方程的时间步长为2.0 fs。存在氢气时，时间步长为1.0 fs。采用了GROMACS 2018中的越级积分器。产物已经完成了恒压运行nPT合奏LHCII / c5 nVE为丙氨酸二肽与semi-isotropic联轴器在xy平面膜和z (LHCII压缩系数在4.5 x10-5)系统，而各向同性的c5(压缩系数在4.5 x10-5)。

在Verlet截止方案下，范德-瓦尔斯相互作用在1.0-1.2nm之间平滑地切换为零。静电相互作用在1.2nm处被截断(短期)，在PME近似下计算了长期的贡献。采用LINCS算法约束所有重氢原子的键长。v级温控器采用(温度耦合常数0.5)和Parrinello-Rahman恒温器(1 atm，压力耦合常数2.0)。恒温器独立用于蛋白质、水离子、可用的脂质和气体。

LHCII: LHCII三聚体，原始标准来自菠菜主天线的晶体结构。多肽在中性pH(7.3)状态下制备，包埋在约500种POPC脂质制成的完全水合类囊体膜模拟中。多肽使用全原子OPLS-2005力场(FF)，而色素则使用定制的光合系统参数进行处理。POPC脂质由一个联合原子FF描述，并在大约45000个TIP4P/2005水分子(120mM KCl)中溶剂化，在310K, 1 atm下形成了14x14x11 nm3的体系。该系统基于文献中已建立的蛋白膜系统方案进行了平衡。

细胞色素c5:人类细胞色素c5的初始结构来自还原晶体结构。该多肽由CHARMM-27 FF描述，具有血红素-c修复基定制参数。Asp, Glu, His残基质子化是基于PDB2PQR工具在pH7.3下的预测。该体系在大约10100个TIP3P水分子(120mM KCl)中溶剂化，在310K、1 atm条件下得到一个尺寸约为6.83 nm3的立方单元盒，并根据建立的蛋白质-水体系协议进行平衡。

丙氨酸二肽建立在气相等容单元(6.83 nm3)中，由CHARMM-27 FF描述。将氢气或氧气加入到LHCII/ c5平衡体系的水相中，浓度为500mM，系统再根据之前报道的各自方案进行平衡。气体是基于TraPPE FF参数化的。

 

二、研究结果

1、氢气暴露导致绿藻光合作用可逆阻断。

单细胞绿藻的培养在光下生长在封闭的瓶中，控制气体成分组成。绿藻光合作用过程被选作新陈代谢的指标。光合作用程是通过荧光感应技术测量的，该技术不需要打开烧瓶，所以内部的大气组成不受影响。将诱导荧光曲线和光合机制的光合性能表示为Fv/Fm。

培养物在大气条件下具有良好的光合产量和代谢，Fv/Fm值接近0.8。用100% 氢气替代培养气成分后，光合产量降至零(图1a)，并在氢气气氛维持时间(170小时)内保持该水平。在氢气(170小时)孵育期结束时，GC-TCD气相色谱测量显示，大气由纯氢气组成，间接证实了会产生氧气的呼吸过程处于完全停止状态(图1a)。呼吸作用和光合作用是主要的代谢支柱。在氢气气氛中孵育175小时后，将烧瓶内的气氛转换为空气，观察到光合作用过程立即恢复，Fv / Fm比恢复到原始值(Fv / Fm: ~ 0.8)(图1a)。

氢点评：光合作用产生氧气，当然也可以产生氢气，在纯氢气环境下，光合作用被中断，这是非常强大的表型。氢气生物学效应研究虽然受到广泛重视，但这种全和无的表型（空气是100，氢气是0，恢复空气可以恢复）仍然非常少见，因为可以持续1周时间，重复性非常强，这非常值得更深入研究，对于理解氢气的生物效应基础一定具有重要意义。

在图1b中，我们描绘了实验开始时(0小时)、在氢气气氛下长时间培养后(170小时)以及在将培养物转移到大气空气中(200小时)的诱导荧光曲线。这些测量结果清楚地表明，在氢气气氛下，整个光合Jouprocess在最大荧光Fo (Fo = Fm)时停止，这意味着吸收的太阳能不能被转发到光系统II，因此被熄灭，或作为荧光发射(图1b)。非活性培养物通过暴露于空气中恢复为功能完整的有机体(图1b)。即使少量的空气加入烧瓶(1%)也能立即恢复原来的代谢功能。后者之后是逐渐减少和代谢停止(图2)。这可能是由于通过呼吸过程代谢使用了少量的氧气，这些氧气包含在1%的空气中，然后被完全消耗掉。此外，在光照和黑暗条件下，氢气的效应是相同的(图2)。

2 氢气暴露2月仍然能诱导绿藻可逆代谢停止。

相同的实验设置，如上所述和方法部分，重复微藻培养，并延长1464小时(2个月)。结果与170小时的结果一致(图3)。在整个2个月的期间，可逆的代谢停止(代谢停滞)也可以通过生长培养基中的pH值测量得到证实。通常，微藻的光合活性伴随着培养基pH值的升高(Zerveas et al.， 2021a)。在开始时，我们确实观察到一个功能完整的光合作用过程和相关的pH值增加。然而，在代谢停滞期(1464小时)，微藻生物量和培养基pH保持不变，一旦培养恢复到空气中，微藻生物量和培养基pH再次增加(图4)。

3、氢气可提高微藻胁高盐迫耐受能力。

在这一阶段，对微藻培养进行胁迫，测试微藻在100% 氢气气氛下代谢停滞期的存活率是很有诱惑力的。微藻培养物首先暴露于氢气氛中达到代谢停止，然后暴露于极高浓度的盐(10% NaCl)中约100小时(图5)，该浓度大约是海水的3倍。用正常培养基代替盐溶液后，我们切换到空气环境，检查微藻培养物的存活率。与没有预先诱导代谢停止的参考培养相比，微藻培养再次发挥了充分的功能(图5)。胁迫就是环境有害因素，高盐可导致微藻生存危机，但在纯氢气环境代谢阻断情况下，微藻应对高盐胁迫能力显著提高。

4、氢气阻断酵母增殖作用，该作用具有类似可逆性。

为了确认氢气气氛下的可逆代谢阻滞是否对其他生物系统产生诱导作用，我们测试了氢气气氛下酵母的生长。与参考暴露在空气中,氦(他)或(N2)大气氮，比较，发现氢气具有明显抑制增长效应(图6)。当所有的培养都转移到空气，3周潜伏期后氢气处理酵母完全恢复，2周内恢复到其他培养条件的增殖水平(图6)。酵母在完全没有N2和氧气的大气，为应对这种情况下，可能会通过异化有机物(呼吸程序)。如可能使用N氧气代替氧气，类似其他异养微生物。

研究测试了是否可在不消耗任何能源情况下保存产品(如水果)很长一段时间，这一定是很诱人的。因此，我们直接从田间采摘葡萄，先在空气中保存3天，没有任何微生物(真菌、细菌等)感染。然后在氢气、N2-和空气中孵育90天(3个月)。孵育90天后的结果非常显著区别。在氢气气氛下，葡萄在这几个月里都没有腐烂，在其他情况下，葡萄都被氧化、变黑或腐烂(图7)。

5. 氢气诱导代谢阻滞的机制，分子动力学的解释。

如前所述，新陈代谢依赖于关键蛋白质的波动和灵活性。为了更好地理解本文所报道的生物系统中氢气效应的可能作用机制，我们利用硅模型(MD -分子动力学)模拟了这种现象的原子尺度细节。在与氢气的相互作用中，研究了参与光合作用(光收获复合物三聚体- LHCII)和参与呼吸过程的蛋白质复合物(细胞色素c5)。结果表明这些蛋白的行为是一致的。在氢气气氛下，相对于在氧气环境下，我们得到了温度诱导的蛋白质残基刚性或热稳定性，这这种改变可能会停止任何代谢过程，而不会破坏蛋白质(图8)。

详细地说，LHCII和细胞色素c5的蛋白质残基似乎在与氢气的相互作用中发挥刚性(减少波动)，随着温度的升高，类似于耐热蛋白的行为，减少了Λ值，这代表了结构顺序因子的温度依赖性(图8a，b)。这可能导致代谢过程的严重减慢，失去一个重要的熵因子，而不破坏蛋白质系统，这类似于低温下的动力学。对于蛋白质氢气/氧气相互作用的不同来源，这可能是由于蛋白质和所研究模型中的气体之间的疏水或静电相互作用不同。LHCII与氢气的平均库仑能和范德华能为 -170 kJ/mol，LHCII与氧气的平均范德华能为-590 kJ/mol。对于细胞色素c5，在-13 kJ/mol (+氢气)和-55 kJ/mol (+氧气)的平衡分子动力学轨迹中，相互作用的趋势相同。这表明，与蛋白质和氧气的相互作用相比，蛋白质和氢气的相互作用减少了大约4倍。氧气/氢气在LHCII和细胞色素c5周围的居留时间，用被 Van Eerden等(2017)选择与双/单指数拟合0.6 nm截止方法计算(图8 c, d)。这些气体留居时间在蛋白质之间似乎大大不同，这可能表明，蛋白质环境(脂-水)在蛋白质-气体的相互作用中也起着作用。然而，后者似乎与上述报告的氢气/氧气对热稳定性的影响无关。

氢点评：该研究是认为，氢气暴露可以让这些蛋白质发生类似低温效应，这能解释氢气暴露导致光合作用被可逆阻断的原因，因为发生了蛋白质构象改变。这当然也是从事氢气生物学研究的学者希望了解的信息。氢气可以发挥变构调节效应，不过这种效应，如温度一样，会对大部分蛋白质产生广泛效应，而且这种改变也很难产生单向有利效应。而且这种效应的广泛性也是不好的消息，因为这给氢气缺乏特异性又增加了新证据。

此外，还提供了没有和有氧气/ 氢气(图9)以及有氢气、D2、T2(图9b)时的丙氨酸二肽的振动光谱，以供比较。我们注意到，无论气体与二肽中羰基中的氧(C=O*)或碳(*C=O)原子相互作用，光谱的差异都遵循相同的趋势。对于低频0-250 cm-1光谱区域(图9a)，我们观察到在氢气存在情况下，峰向更低能量移动，与没有气体的情况(绿色)相比，特别是存在氧气的情况(红色)，峰分辨率更高，更清晰(蓝色)。较低频谱区域可分配给离域肽振动，或累积运动和与环境的相互作用。在氢气存在的情况下，低频率下正态模密度降低表明与环境相互作用降低了构象弹性。相反，对于更高频谱(250-2000 cm-1)，除在氢气存在下峰强度略有下降(图9a)，没有观察到重要变化。然而，随着与氢气相互作用转变为与质量更大氢同位素(D2, T2)的相互作用，光谱强度明显增加，低频处峰值更明显(图9b)。后者表明，质量较大的氢同位素应增强对蛋白质灵活性的抑制。

 

图 1. a.利用两个单独实验获得光合效率表示为Fv/Fm。气相色谱检测的氢气含量，大约170小时后转移到空气。

b。典型荧光曲线结果。黑色为开始空气时(0小时)，蓝色为经过长时间的潜伏在氢气气氛(170小时)，红色是氢气转移到空气中培养(200小时)。

 

 

图 2. Fv/Fm表示光合效率，3种实验分别为从空气、氢气 (25 hours) 和空气 (280 hours)。包括氢气黑暗(氢气/D)，有光，和有光+氢气加1%空气125小时。

即使是1%的空气，也会让氢气的抑制效应完全反转。

 

 

 

图3. 微藻氢气培养1464 小时，然后转换为空气。

 

 

 

图4. 1464小时微藻培养过程，生物质(a)和培养基pH (b)的变化。一般微藻光合作用活性伴随培养基pH升高。开始pH升高说明光合作用正常，在氢气处理阶段，生物质和pH都保持稳定，转为空气培养后再次升高。

 

 

图 5. 高浓度盐（10% NaCl）对绿藻Fv/Fm的影响。开始阶段暴露在氢气中，绿藻光合代谢被阻断，然后放在高盐中100小时，然后转入正常培养基，随后转入空气培养。蓝色参考绿藻一直放在空气中培养，高盐处理可导致光合作用被抑制，且无法恢复。

 

图 6.第一排分别在空气、氢气、氦气和氮气酵母培养3周，第二排为所有酵母都转入空气中培养2周的情况。可以发现氢气对酵母生长的抑制作用明显，转如空气后氢气培养酵母几乎完全恢复。

 

 

图 7. 没有被微生物感染的葡萄存放90天的情况，分别时氢气、氮气、空气和开放空气。

 

 

图 8. Λ值在氢气和氧气暴露时的分布，a LHCII,b cytochrome c5。Λ值低代表蛋白质刚性，高值代表蛋白质柔性。 

c. LHCII三聚体在0.6nm内的气体停留时间。由于双指数拟合，每个案例显示了两个停留时间。

d. 在细胞色素c5的0.6nm内气体停留时间。在细胞色素c5的单一指数拟合中，显示了每个病例的一个停留时间。

 

 

 

图 9. a. 丙氨酸二肽的弹性谱，绿色为气相，氢气为蓝色，氧气为红色。

b 不同氢同位素气体的效应。

 

三、讨论

本研究报告了纯氢气暴露是一种代谢系统开关，这种作用具有选择性。

空气主要由约78%的氮气、21%的氧气组成，另外1%主要有氩气、二氧化碳、氖、氦、甲烷和氢气组成。暴露在其他任何单一气体环境下如占空气成分99%的N2或O2，或大气中的痕量气体(He)，均没有氢气的类似作用，说明氢气作用具有独特性。氢气可以让微生物的细胞代谢完全停止，不在消耗能量。本研究发现，氢气暴露能关闭生物钟，即使在恶劣环境压力下，某些生物也能延长生存时间，提示氢气暴露具有延缓衰老的作用。

本研究的结果表明，微藻暴露于氢气环境(100% 氢气)会停止光合作用和呼吸过程，进而停止细胞代谢，导致细胞生长停止。在这些条件下，任何分化，例如微藻培养都停止了。非常微量的氧气或空气的添加几乎可完全恢复代谢率和细胞的生长。同时，微藻对氢气环境下的盐胁迫具有显著的抗性。微藻通常生活在极低盐浓度环境中，高盐对这种微藻是巨大的威胁。然而，在氢气气氛下培养能使其能够耐受几天的高盐胁迫(10% nacl浓度)。

通过原子尺度的模拟，我们证实了与光合和呼吸过程有关的特定蛋白质复合物(LHCII，细胞色素c5)，以及一个小二肽在氢气和O2存在时具有不同的动力学作用特征。结果表明，氢气处理可使蛋白质残基固化，可具有更强热稳定性。分子动力学模拟显示三种不同生物系统的相同行为，

分子动力学模拟显示三种不同的生物系统在氢气环境下出现相同改变，特别是在集体运动比较弱，或受环境影响。这些多肽对氢气的总体反应基本上是相同的，尽管它们的结构根本不同，也不考虑用于描述原子间相互作用势的经验力场(FF)。

研究采用不同力场如OPLS-2005, CHARMM-27, TIP3P, TIP4P/2005，可确保该研究结果是系统独立性。探测对不同蛋白和二肽，既有光合过程(LHCII)有关，也有氧化磷酸化(细胞色素c5)有关，还广泛研究了丙氨酸二肽，确保了所鉴定的氢气效应存在普遍性。分子模拟结果表明，不同蛋白质/多肽系统在与氢气相互作用中表现出类似于在很低温度下的分子行为。这与氧气存在时的行为形成了强烈对比。得到的结果与实验结果有较好相关性，在抑制蛋白功能方面，不仅有时间相关性，也具有长期稳定性特定。

氢气是一种有生物学效应，但没有毒性的分子。气体小分子氢气能够穿透细胞膜进入胞浆、线粒体和细胞核，选择性清除活性氧(ROS)中的羟基自由基和过氧亚硝酸盐阴离子，防止其干扰正常代谢和信号传递。此外，氢气通过抑制氧化应激和细胞凋亡，对几种类型的氧化应激相关器官损伤具有保护作用。这些因素加上对蛋白质柔韧性影响，可以解释代谢骤停的分子基础。根据这些结果，我们也可以解释微藻对极端高盐浓度(10% NaCl)的耐受性。NaCl浓度增加导致光合器官分子结构和功能发生显著变化。最初，它降低光系统II活性反应中心的密度，并强烈增加每个反应中心天线(LHCII)大小，以管理光系统II的激发压力(Demetriou et al. 2007)。纯氢气暴露使蛋白质在整个系统中的灵活性停止，结构变化和代谢不会发生。因此，吸收的光能但不能发生光猝灭，而只能非光化学叶绿素荧光(Fo = Fm)。这意味着光系统II没有激发压力，因此也就没有压力。氢气下的代谢停滞现象并不局限于微藻或酵母，但可能适用于许多其他生物体(如细菌、真菌等)、组织和细胞。我们认为，在氢气气氛下的可逆代谢阻滞甚至可以应用于更大的(工业)规模，在受控条件下采用封闭反应器，代谢可暂停，因此可以克服任何氧化或退化过程的老化效应。此外，这还带来了额外的好处;增强对压力的耐受力。在不久将来，以最小成本保存一系列产品(如蔬菜、水果、各种加工或未加工的食品等)是可行的。在体积较大情况下，效果基本不变，但为了达到最佳性能，需要对应用条件进行优化，以解决特定问题，如长期保持100% 氢气的恒定氢气环境。然而，这份论文中只是提供了方法论的基础。还应该澄清的是，此时这种方法纯粹出于“技术”原因不能适用于(小)活的动物（没有氧气不能生存）。它可以在不呼吸的情况下存活的时间比氢气诱导的代谢停止所需的时间短得多。无论如何，目前的工作是为将来找到克服这些技术困难的方法铺平了道路。

本研究将生物、化学和计算方法相结合，为未来生物技术领域的创新研究和进展提供了基础和思路。在分子和原子水平上的见解，我们描述了一个常用的方法来操纵生物系统的一个关键参数:他们的代谢过程。

 

 目前的结果可以得出以下结论

1、暴露于纯氢气条件下(100% H2)可造成微藻光合作用和酵母生长完全停止。氧气或空气加入几乎完全恢复氢气的代谢生长阻滞效应。

2、绿藻在纯氢气环境下能耐高盐等受极端环境。

3、分子动力学模拟研究能用于对这种现象的原子尺度解释。参与光合作用到氧化磷酸化呼吸复合物的蛋白质都能和氢气发生相互作用，氢气暴露可降低蛋白质残基的柔性，增加热稳定性。氧气的作用正好相反。

4、荧光分析显示氢气暴露后绿藻 Fo显著提高，甚至Fo = Fv。Fv (Fm-Fo) =0这意味着所有吸收能量都从LHCII叶绿素中耗散，而不会转移给PSII发生光化学反应。因此，光系统II没有激发压力，因此没有胁迫。分子动力学模拟在原子尺度上证实了这一现象。暴露于H2，而不是氧气，减少蛋白质残基波动(刚性增加)，热稳定性提高，这可导致代谢停滞。由此可见，所呈现的h2效应并不是光合器官的生理感应效应，而是一种物理化学反应。

5、按照以上机制，纯氢气能用于水果等农产品的长时间保鲜，而且这种保鲜不需要消耗额外能源。

最后氢点评：本研究最重要的成果时观察到氢气对真核细胞代谢的完全阻滞效应，作者提出的问题也非常重要，也使用了分子模拟试验进行了探索性研究。但是并没有拿出更重要的分子过程证据。单纯使用了两种蛋白质进行分子模拟，提出氢气效应的原子层面的解释，这难以让人信服，因为这显然具有特别大的非特异性，类似于氢气能包治百病的特征，不过在这里变成对所有蛋白质都能产生调节作用。如果真是这样，当然和我们曾经提出过氢气具有类似低温这种非特异性广泛损伤保护效应不谋而合，但这也是令人失望和遗憾的发现。因此，我更乐于见到研究中发现的光合效应阻断，但对产生这种阻断效应的解释持保留意见。

参考文献

Zerveas S ,  Kydonakis E ,  Mente M S , et al. Hydrogen gas as a central on-off functional switch of reversible metabolic arrest – New perspectives for biotechnological applications[J]. Journal of Biotechnology, 2021(24).