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Background: In times of global warming there is an urgent need to replace fossil fuel-based energy vectors by less carbon dioxide (CO2)-emitting alternatives. One attractive option is the use of molecular hydrogen (H2) since its combustion emits water (H2O) and not CO2. Therefore, H2 is regarded as a non-polluting fuel. The ways to produce H2 can be diverse, but steam reformation of conventional fossil fuel sources is still the main producer of H2 gas up to date. Biohydrogen production via microbes could be an alternative, environmentally friendly and renewable way of future H2 production, especially when the flexible and inexpensive C1 compound formate is used as substrate.
Results: In this study, the versatile compound formate was used as substrate to drive H2 production by whole cells of the thermophilic acetogenic bacterium Thermoanaerobacter kivui which harbors a highly active hydrogen-dependent CO2 reductase (HDCR) to oxidize formate to H2 and CO2 and vice versa. Under optimized reaction conditions, T. kivui cells demonstrated the highest H2 production rates (qH2 = 685 mmol g−1 h−1) which were so far reported in the literature for wild-type organisms. Additionally, high yields (Y(H2/formate)) of 0.86 mol mol−1 and a hydrogen evolution rate (HER) of 999 mmol L−1 h−1 were observed. Finally, stirred-tank bioreactor experiments demonstrated the upscaling feasibility of the applied whole cell system and indicated the importance of pH control for the reaction of formate-driven H2 production.
Conclusions: The thermophilic acetogenic bacterium T. kivui is an efficient biocatalyst for the oxidation of formate to H2 (and CO2). The existing genetic tool box of acetogenic bacteria bears further potential to optimize biohydrogen production in future and to contribute to a future sustainable formate/H2 bio-economy.
Filamentous enzymes have been found in all domains of life, but the advantage of filamentation is often elusive1. Some anaerobic, autotrophic bacteria have an unusual filamentous enzyme for CO2 fixation—hydrogen-dependent CO2 reductase (HDCR)2,3—which directly converts H2 and CO2 into formic acid. HDCR reduces CO2 with a higher activity than any other known biological or chemical catalyst4,5, and it has therefore gained considerable interest in two areas of global relevance: hydrogen storage and combating climate change by capturing atmospheric CO2. However, the mechanistic basis of the high catalytic turnover rate of HDCR has remained unknown. Here we use cryo-electron microscopy to reveal the structure of a short HDCR filament from the acetogenic bacterium Thermoanaerobacter kivui. The minimum repeating unit is a hexamer that consists of a formate dehydrogenase (FdhF) and two hydrogenases (HydA2) bound around a central core of hydrogenase Fe-S subunits, one HycB3 and two HycB4. These small bacterial polyferredoxin-like proteins oligomerize through their C-terminal helices to form the backbone of the filament. By combining structure-directed mutagenesis with enzymatic analysis, we show that filamentation and rapid electron transfer through the filament enhance the activity of HDCR. To investigate the structure of HDCR in situ, we imaged T. kivui cells with cryo-electron tomography and found that HDCR filaments bundle into large ring-shaped superstructures attached to the plasma membrane. This supramolecular organization may further enhance the stability and connectivity of HDCR to form a specialized metabolic subcompartment within the cell.
In times of global climate change and the fear of dwindling resources, we are facing different considerable challenges such as the replacement of fossil fuel–based energy carriers with the coincident maintenance of the increasing energy supply of our growing world population. Therefore, CO2 capturing and H2 storing solutions are urgently needed. In this study, we demonstrate the production of a functional and biotechnological interesting enzyme complex from acetogenic bacteria, the hydrogen-dependent CO2 reductase (HDCR), in the well-known model organism Escherichia coli. We identified the metabolic bottlenecks of the host organisms for the production of the HDCR enzyme complex. Here we show that the recombinant expression of a heterologous enzyme complex transforms E. coli into a whole-cell biocatalyst for hydrogen-driven CO2 reduction to formate without the need of any external co-factors or endogenous enzymes in the reaction process. This shifts the industrial platform organism E. coli more and more into the focus as biocatalyst for CO2-capturing and H2-storage. Key points: A functional HDCR enzyme complex was heterologously produced in E. coli; The metabolic bottlenecks for HDCR production were identified; HDCR enabled E. coli cell to capture and store H2 and CO2 in the form of formate.
High-temperature tolerant enzymes offer multiple advantages over enzymes from mesophilic organisms for the industrial production of sustainable chemicals due to high specific activities and stabilities towards fluctuations in pH, heat, and organic solvents. The production of molecular hydrogen (H2) is of particular interest because of the multiple uses of hydrogen in energy and chemicals applications, and the ability of hydrogenase enzymes to reduce protons to H2 at a cathode. We examined the activity of Hydrogen-Dependent CO2 Reductase (HDCR) from the thermophilic bacterium Thermoanaerobacter kivui when immobilized in a redox polymer, cobaltocene-functionalized polyallylamine (Cc-PAA), on a cathode for enzyme-mediated H2 formation from electricity. The presence of Cc-PAA increased reductive current density 340-fold when used on an electrode with HDCR at 40 °C, reaching unprecedented current densities of up to 3 mA·cm−2 with minimal overpotential and high faradaic efficiency. In contrast to other hydrogenases, T. kivui HDCR showed substantial reversibility of CO-dependent inactivation, revealing an opportunity for usage in gas mixtures containing CO, such as syngas. This study highlights the important potential of combining redox polymers with novel enzymes from thermophiles for enhanced electrosynthesis.
In Zeiten der globalen Klimaerwärmung und des Klimawandels werden Strategien zur Vermeidung, Reduzierung oder Wiederverwertung von CO2-Emissionen sowie die Abkehr von fossilen Energieträgern immer wichtiger. Aus diesem Grund finden Technologien zur Bindung, Speicherung und Wiederverwertung von CO2 immer größere Aufmerksamkeit und diverse chemische als auch biologische Ansätze werden verfolgt. Eine dieser Möglichkeiten umfasst die Reduktion von CO2 mit Hilfe von molekularem Wasserstoff. Im Prozess der direkten Hydrogenierung von CO2 zu Ameisensäure bzw. Formiat wird nicht nur CO2 gebunden, sondern ebenfalls H2 in flüssiger Form gespeichert. Die Ameisensäure weist gegenüber dem hochflüchtigen Wasserstoffgas verschiedene Vorteile auf und zählt zu der Gruppe der flüssigen, organischen Wasserstoffspeicherverbindungen. Daneben ist das Einsatzgebiet von Ameisensäure als Ausgangstoff für Chemikalien oder als mikrobielle Kohlenstoffquelle sehr vielseitig und die Verbindung erfreut sich zunehmenden Interesses.
Die Natur hält biologische Katalysatoren (Enzyme) für die Reduktion von CO2 bereit. Die Gruppe der obligat anaeroben, acetogenen Bakterien verwendet so genannte Formiatdehydrogenasen als CO2-Reduktasen, um CO2 im Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) der Bakterien fixieren zu können. Diese Enzyme katalysieren die reversible 2-Elektronen Reduktion von CO2 zu Ameisensäure. Kürzlich konnte aus den beiden Vertretern A. woodii (mesophil) und T. kivui (thermophil) ein neuartiger, cytoplasmatischer Enzymkomplex isoliert werden. Dieser Enzymkomplex koppelt die Reduktion von CO2 direkt an die Oxidation von H2 und wird deshalb als Wasserstoff-abhängige CO2-Reduktase bezeichnet (engl. hydrogen-dependent CO2 reductase, HDCR). Die HDCR katalysiert dabei die reversible Hydrogenierung von CO2 zu Formiat mit annähernd gleicher Kinetik und gleichen Umsatzraten. Die bei der CO2 Reduktion erreichten Umsatzraten übertrafen dabei bisherige chemische als auch biologische Katalysatoren um mehre Größenordnungen.
Im Hinblick auf die besonderen katalytischen Eigenschaften der HDCRs wurde in dieser Arbeit die biotechnologische Anwendbarkeit der Enzyme als Biokatalysatoren zur Speicherung und Sequestrierung von H2 und CO2 in Form von Ameisensäure untersucht. Im Speziellen wurde ein HDCR-basiertes Ganz-Zell-System für das thermophile Bakterium T. kivui entwickelt. Um eine Ganz-Zell basierte Umwandlung von H2 und CO2 zu Formiat zu gewährleisten, wurde zuvor die Weiterverwertung des Formiats zu Acetat im WLP gestoppt. Durch eine Reduktion des zellulären ATP-Gehalts konnte eine weitere Prozessierung des aus der HDCR-Reaktion gebildeten Formiats im Zellstoffwechsel des Bakteriums unterbunden werden. Die Formiatbildung aus H2 und CO2 wurde in Zellsuspensionen von T. kivui untersucht und charakterisiert. Hier zeigten T. kivui Zellen die höchste spezifische Formiatbildungsrate, die bis dato in der Literatur genannt wurde. Ebenfalls wurde in dieser Arbeit die Umwandlung von Synthesegas (H2 + CO2 und CO) und CO zu Formiat geprüft. Bioenergetisch entkoppelte und auf CO-adaptierte T. kivui Zellen konnten in der Tat Synthesegas exklusiv zu Formiat umsetzen. Um die CO-Verwertung zu Acetat und Formiat im Stoffwechsel der Rnf- (A. woodii) und Ech-Acetogenen (T. kivui) verstehen zu können, wurden Mutanten von Δhdcr, ΔcooS, ΔhydBA, Δrnf and Δech2 von A. woodii und T. kivui zur Hilfe genommen. In beiden Organismen war die CO-basierte Formiatbildung vom Vorhandensein eines funktionalen HDCR-Enzymkomplexes abhängig.
Für eine mögliche biotechnologische Anwendung wurde die Maßstabsvergrößerung des Ganz-Zell-Systems angestrebt und hin zum Bioreaktormaßstab mit kontrollierten Prozessbedingungen skaliert. Diese Arbeit demonstriert die effiziente Umwandlung von H2 und CO2 zu Formiat und vice versa unter Verwendung eines Rührkesselreaktors. Der Prozess zeigte eine Effizienz von 100% für die Umwandlung von CO2 zu Formiat und spezifische Raten von 48.3 mmol g-1 h-1 wurden von A. woodii Zellen erreicht. Die spezifische H2-Produktionsrate (qH2) aus der Ameisensäureoxidation betrug 27.6 mmol g-1 h-1 und mehr als 2.12 M Ameisensäure konnte über einen Zeitraum von 195 h oxidiert werden. Wichtige Parameter der Enzymkatalyse wie Wechselzahl (engl. turnover frequency, TOF) und katalytische Produktivität (engl. turnover number, TON) wurden ebenfalls im Versuch bestimmt. Basierend auf dem generierten Prozessverständnis und der effizienten Reversibilität der katalysierten Reaktionen wurde abschließend ein Ganz-Zell-basierter Bioreaktoraufbau gewählt, der die vielfache Speicherung und Freisetzung von H2 in einem einzigen Rührkesselreaktor und unter Verwendung des gleichen Katalysators ermöglicht. Über eine Prozesszeit von 2 Wochen und 15 CO2 Reduktions-/Formiat Oxidations-Zyklen konnte so im Mittel 330 mM Formiat produziert und oxidiert werden.
Zusammenfassend thematisiert diese Arbeit die biotechnologische Anwendbarkeit eines Ganz-Zell-Systems zur Speicherung und Sequestrierung von H2 und CO2 in Form von Formiat und vice versa. Die katalytische Aktivität der betrachteten Organismen fußt dabei auf der Aktivität eines neuartigen Enzymkomplexes, der erstmals in der Gruppe der acetogenen Bakterien entdeckt wurde. Der als Wasserstoff-abhängige CO2-Reduktase bezeichnete Enzymkomplex könnte die zukünftige Konzipierung Enzym-inspirierter und effizienter chemischer Katalysatoren vorantreiben. Auch der Einsatz des Enzyms/der Zellen in so genannten Hydrogelen oder die Etablierung elektrochemischer Prozesse sind vorstellbar. Diese Arbeit stellt somit eine Basis für mögliche zukünftige Anwendungen des etablierten Ganz-Zell-Systems von A. woodii und T. kivui im Bereich der Wasserstoffökonomie dar.
Acetogenic bacteria have gained much attraction in recent years as they can produce different biofuels and biochemicals from H2 plus CO2 or even CO alone, therefore opening a promising alternative route for the production of biofuels from renewable sources compared to existing sugar‐based routes. However, CO metabolism still raises questions concerning the biochemistry and bioenergetics in many acetogens. In this study, we focused on the two acetogenic bacteria Acetobacterium woodii and Thermoanaerobacter kivui which, so far, are the only identified acetogens harbouring a H2‐dependent CO2 reductase and furthermore belong to different classes of ‘Rnf’‐ and ‘Ech‐acetogens’. Both strains catalysed the conversion of CO into the bulk chemical acetate and formate. Formate production was stimulated by uncoupling the energy metabolism from the Wood–Ljungdahl pathway, and specific rates of 1.44 and 1.34 mmol g−1 h−1 for A. woodii ∆rnf and T. kivui wild type were reached. The demonstrated CO‐based formate production rates are, to the best of our knowledge, among the highest rates ever reported. Using mutants of ∆hdcr, ∆cooS, ∆hydBA, ∆rnf and ∆ech2 with deficiencies in key enzyme activities of the central metabolism enabled us to postulate two different CO utilization pathways in these two model organisms.
Hydrogen is a promising fuel in a carbon-neutral economy, and many efforts are currently undertaken to produce hydrogen. One of the challenges is to store and transport the highly explosive gas in a safe and easy way. One option that is intensively analyzed by chemists and biologists is the conversion of hydrogen and CO2 to formic acid, the liquid organic hydrogen carrier. Here, we demonstrate for the first time that a bio-based system, using Acetobacterium woodii as the biocatalyst, allows multiple cycles of bi-directional hydrogenation of CO2 to formic acid in one bioreactor. The process was kept running over 2 weeks producing and oxidizing 330 mM formic acid in total. Unwanted side-product formation of acetic acid was prevented through metabolic engineering of the organism. The demonstrated process design can be considered as a future “bio-battery” for the reversible storage of electrons in the form of H2 in formic acid, a versatile compound.
Hydrogenation of CO2 at ambient pressure catalyzed by a highly active thermostable biocatalyst
(2018)
Background: Replacing fossil fuels as energy carrier requires alternatives that combine sustainable production, high volumetric energy density, easy and fast refueling for mobile applications, and preferably low risk of hazard. Molecular hydrogen (H2) has been considered as promising alternative; however, practical application is struggling because of the low volumetric energy density and the explosion hazard when stored in large amounts. One way to overcome these limitations is the transient conversion of H2 into other chemicals with increased volumetric energy density and lower risk hazard, for example so-called liquid organic hydrogen carriers such as formic acid/formate that is obtained by hydrogenation of CO2. Many homogenous and heterogenous chemical catalysts have been described in the past years, however, often requiring high pressures and temperatures. Recently, the first biocatalyst for this reaction has been described opening the route to a biotechnological alternative for this conversion.
Results: The hydrogen-dependent CO2 reductase (HDCR) is a highly active biocatalyst for storing H2 in the form of formic acid/formate by reversibly catalyzing the hydrogenation of CO2. We report the identification, isolation, and characterization of the first thermostable HDCR operating at temperatures up to 70 °C. The enzyme was isolated from the thermophilic acetogenic bacterium Thermoanaerobacter kivui and displays exceptionally high activities in both reaction directions, substantially exceeding known chemical catalysts. CO2 hydrogenation is catalyzed at mild conditions with a turnover frequency of 9,556,000 h−1 (specific activity of 900 µmol formate min−1 mg−1) and the reverse reaction, H2 + CO2 release from formate, is catalyzed with a turnover frequency of 9,892,000 h−1 (930 µmol H2 min−1 mg−1). The HDCR of T. kivui consists of a [FeFe] hydrogenase subunit putatively coupled to a tungsten-dependent CO2 reductase/formate dehydrogenase subunit by an array of iron–sulfur clusters.
Conclusions: The discovery of the first thermostable HDCR provides a promising biological alternative for a chemically challenging reaction and might serve as model for the better understanding of catalysts able to efficiently reduce CO2. The catalytic activity for reversible CO2 hydrogenation of this enzyme is the highest activity known for bio- and chemical catalysts and requiring only ambient temperatures and pressures. The thermostability provides more flexibility regarding the process parameters for a biotechnological application.