Biophysical and Electrochemical studies of Carbon Monoxide Dehydrogenase : Towards the design of bio-electrocatalysts for the CO2-CO interconversion
Etudes biophysiques et électrochimiques de la monoxyde de carbone déshydrogénase : Vers la conception de bio-électro-catalyseurs pour l’interconversion entre le CO et le CO2
Résumé
CO2 metabolism plays a fundamental role in biology, as it represents a “building block” for the synthesis of organic molecules in living organisms. On the other hand, the excessive CO2 emissions due to human activity in recent decades requires today the search for effective solutions dedicated to the closure of the carbon cycle. Thus, it is interesting to develop some alternatives inspired by nature. In particular, carbon monoxide dehydrogenase (CODH) catalyzes the reversible reduction of CO2 to CO and represents an attractive biocatalyst in terms of activity, selectivity, ability to operate in mild conditions with low overpotentials. In addition, it does not require high production costs and uses earth abundant-metals. For these reasons, several studies have been conducted on [NiFe]-CODHs for applications in electrocatalytic CO2 reduction reaction (CO2RR). [NiFe]-CODHs consist of a complex multimetallic NiFe4S4 active site, unique in biology, and additional FeS clusters involved in the electron transfer from the buried active site to the protein surface. Here, we present a novel and efficient method to overproduce the fully active recombinant [NiFe]-CODH from Rhodospirillum rubrum in the easy-to-handle bacteria E. coli. We also developed the stable and favorable immobilization of the enzyme on non-covalently functionalized carbon nanotubes (CNTs), subsequently integrated in a gas-diffusion electrode device This device has comparable performance to molecular and metal catalysts for CO2RR. To go further, the understanding of the intramolecular electron transfer within the enzyme has been undertaken, in order to optimize its capacity to work in direct electron transfer with the electrode. Other optimizations are considered, such as the direct evolution of the enzyme to provide a better resistance towards O2. All together, the results of this work have paved the way to study and use this powerful biocatalyst in the near future for biotechnological applications.
Le métabolisme du CO2 joue un rôle fondamental en biologie, car il représente un "élément de base" pour la synthèse de molécules organiques chez les organismes vivants. D’autre part, les émissions excessives de CO2 dues à l'activité humaine au cours des dernières décennies, nécessite aujourd’hui la recherche de solutions efficaces dédiées à la fermeture du cycle du carbone. Ainsi, il est intéressant de développer certaines alternatives inspirées de la nature. En particulier, la monoxyde de carbone deshydrogénase (CODH) catalyse la réduction réversible du CO2 en CO et représente un biocatalyseur intéressant en termes d'activité, de sélectivité et de capacité à fonctionner dans des conditions douces avec de faibles surtensions. En outre, sa production est économiquement intéressante et est basée sur l’utilisation des métaux abondants sur terre. Pour ces raisons, plusieurs études ont été menées sur les [NiFe]-CODH pour des applications dans des réactions de réduction du CO2 (CO2RR). Les [NiFe]-CODH sont constituées d'un site actif complexe multi-métallique NiFe4S4, unique en biologie, et de centres FeS additionnels impliqués dans le transfert d’électrons du site actif enfoui au sein de la protéine jusqu’à la surface de la protéine. Au cours de la thèse, nous avons développé une nouvelle méthode t efficace pour surproduire la [NiFe]-CODH recombinante active de Rhodospirillum rubrum chez la bactérie Escherichia coli, largement utilisé en biotechnologie. Nous avons également développé l’immobilisation stable et favorable de l’enzyme sur des nanotubes de carbone (CNTs) fonctionnalisés de manière non covalente, intégrés dans un dispositif d'électrode de diffusion de gaz. Ce dispositif possède des performances comparables à celles des catalyseurs moléculaires et métalliques pour le CO2RR. Pour aller plus loin, la compréhension du transfert d'électrons intramoléculaire au sein de l'enzyme a été entreprise, afin d’optimiser sa capacité à travailler en transfert direct d'électrons vers l'électrode. D'autres optimisations sont envisagées, comme l'évolution dirigée de l'enzyme vers une meilleure résistance à l'O2. Dans l'ensemble, les résultats de ce travail ont ouvert une nouvelle voie pour étudier et utiliser ce puissant biocatalyseur dans un avenir proche pour des applications biotechnologiques.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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