Fueling CO2-fixation by detoxifying CO, what are the secrets behind the electron-bifurcating hydrogenase/formate dehydrogenase from homoacetogens?

通过解毒 CO 来促进 CO2 固定,同型乙酸菌的电子分叉氢化酶/甲酸脱氢酶背后的秘密是什么?

基本信息

项目摘要

The chemical reduction of CO2 into formate answers to two challenges faced by our modern society: (1) the capture of the atmospheric greenhouse gas CO2; (2) safe long-term storage of the energy generated through renewable sources (e.g. wind, solar…) by using formate as an energy-carrier. Such difficult reaction for chemists is constantly running in microorganisms under standard temperature and pressure. Our proposal aims to decipher the tricks behind this biological CO2-reduction catalyzed by formate dehydrogenase (Fdh), addressing the key question: how enzymes fix CO2 by using low-potential electrons? For this purpose, we will use a model organism that uses CO2-fixation for both, carbon assimilation and energy acquisition: the homoacetogenic bacteria. In natural environments, they play a critical role in organic matter recycling and primary production; in biotechnology, these "bio-converters" turn waste gases (e.g. syngas from steel mill) into biofuels. As waste gases contain high amounts of carbon monoxide (CO), a known inhibitor of Fdh and hydrogenases, cellular CO2-fixation should collapse. However, Clostridium autoethanogenum evolved a genius strategy by converting the poisonous CO as a fuel for the CO2-reduction through the HytA-E/Fdh complex. Electrons from NADPH and reduced ferredoxin, generated during CO­detoxification, are merged in HytA-E through electron bifurcation/confurcation, a biochemical concept recently described in anaerobes. The molecular basis of such trick in HytA-E is unknown, but a new type of tungstopterin-containing Fdh should use the merged electrons to reduce CO2. Since CO-detoxification could saturate Fdh turnover capacities, the system must use an exhauster: an [FeFe]-hydrogenase (HytA), able to evacuate extra electrons by the reduction of protons to H2. Under H2/CO2 condition (without CO), HytA feeds Fdh with electrons from H2. The project aims to elucidate the different key points of the complex: which cofactor operates the electron confurcation/bifurcation event? If a new cofactor is involved, how its biosynthesis and incorporation is performed? How hydrogenase and Fdh cross-talk to synchronize electron repartition? And how does Fdh reduce CO2? Our workflow starts by the cultivation of different homoacetogens under CO, followed by native anaerobic purification and crystallization of HytA-E/Fdh. Structural investigations will provide insights about the global architecture of the machinery, its cofactors composition, electron pathways and the key catalytic residues involved in the CO2-hydrogenation reaction. However, in order to obtain the full image of the mechanistic properties of HytA-E/Fdh, integration and interaction with the other groups among the SPP is indispensable. Complementary analyses through physiology, biophysics, spectroscopy, electro-chemistry and structure-based calculation will confirm our structural hypotheses and expand our views on this revolutionary energy converter.
将CO2化学还原为甲酸盐解决了我们现代社会面临的两个挑战:(1)捕获大气温室气体CO2;(2)通过使用甲酸盐作为能量载体,安全长期储存通过可再生能源(例如风能,太阳能......)产生的能量。这种对化学家来说难度很大的反应是在标准温度和压力下在微生物中不断进行的。我们的提案旨在破译甲酸脱氢酶(Fdh)催化的生物CO2还原背后的技巧,解决关键问题:酶如何通过使用低电位电子固定CO2?为此,我们将使用一种模式生物,它利用CO2固定进行碳同化和能量获取:同型产乙酸细菌。在自然环境中,它们在有机物回收和初级生产中发挥着关键作用;在生物技术中,这些“生物转化器”将废气(例如钢厂的合成气)转化为生物燃料。由于废气含有大量的一氧化碳(CO),一种已知的Fdh和氢化酶抑制剂,细胞CO2固定应该崩溃。然而,Clostridium autoethanogenum进化出一种天才的策略,通过HytA-E/Fdh复合物将有毒的CO转化为CO2还原的燃料。来自NADPH和还原铁氧还蛋白的电子,在CO解毒过程中产生,通过电子分叉/汇合,在HytA-E中合并,这是最近在厌氧菌中描述的生物化学概念。HytA-E中这种技巧的分子基础尚不清楚,但一种新型的含钨蝶呤的Fdh应该使用合并的电子来还原CO2。由于CO解毒可以饱和Fdh周转能力,该系统必须使用一种催化剂:[FeFe]-氢化酶(HytA),能够通过将质子还原为H2来排出额外的电子。在H2/CO2条件下(没有CO),HytA用来自H2的电子供给Fdh。该项目的目的是阐明复杂的不同的关键点:哪一个辅因子操作的电子confurcation/bifurcation事件?如果涉及到一个新的辅因子,它的生物合成和整合是如何进行的?氢化酶和Fdh如何相互作用以同步电子再分配?FDH如何减少二氧化碳?我们的工作流程首先在CO下培养不同的同型产乙酸菌,然后进行天然厌氧纯化和HytA-E/Fdh的结晶。结构研究将提供有关全球架构的机器,其辅因子组成,电子途径和参与CO2加氢反应的关键催化残基的见解。然而,为了获得HytA-E/Fdh的机械性质的完整图像,与SPP中的其他基团的整合和相互作用是必不可少的。通过生理学、生物物理学、光谱学、电化学和基于结构的计算进行的补充分析将证实我们的结构假设,并扩展我们对这种革命性能量转换器的看法。

项目成果

期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Dr. Tristan Wagner其他文献

Dr. Tristan Wagner的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Dr. Tristan Wagner', 18)}}的其他基金

ETHOX – Reveal the missing steps in archaeal ethane oxidation – the ETHyl-CoM OXidation to acetyl-CoA
ETHOX â 揭示古菌乙烷氧化中缺失的步骤 â ETHyl-CoM 氧化为乙酰-CoA
  • 批准号:
    500258244
  • 财政年份:
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Research Grants
PETROX - Petroleum Alkane oxidation by Anaerobic Archaea
PETROX - 厌氧古菌氧化石油烷烃
  • 批准号:
    530009334
  • 财政年份:
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Research Grants

相似国自然基金

深部咸水层CO2 封存盖层多尺度蠕变特性及临界幂律灾变机制
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2025
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
不同相态CO2对深部低渗不可采煤层气藏二氧化碳封存机制及潜力评估
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2025
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
新型核壳金属氧化物@沸石双功能催化剂可控制备及温室气体CO2加氢制乙烯反应机制的研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2025
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
蒽醌功能化的介孔氮化碳催化有机污染物光降解耦合CO2光还原转化为燃料的研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2025
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
基于接力催化的CO2加氢直接高选择性制乙烯多功能催化剂的研究
  • 批准号:
    JCZRYB202500767
  • 批准年份:
    2025
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
页岩微纳米孔隙水的移动性及CO2-水-岩反应对CH4/CO2运移的影响机制
  • 批准号:
    JCZRQN202500299
  • 批准年份:
    2025
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
基于多尺寸Ag基团簇电催化还原CO2的机器学习理论研究
  • 批准号:
    QN25A040007
  • 批准年份:
    2025
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
海洋溶解CO2传感器应用于原位长期监测的适应性改进
  • 批准号:
    MS25D060007
  • 批准年份:
    2025
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
有序合金电催化CO2还原
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2025
  • 资助金额:
    100.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
基于CuM纳米簇非对称脉冲电催化 CO2/NO3-共还原合成尿素研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2025
  • 资助金额:
    10.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目

相似海外基金

Collaborative Research: ORCC: Carbon fixation in future oceans: experimental adaptation of algal and cyanobacterial CO2-concentrating mechanisms to a changing climate
合作研究:ORCC:未来海洋的碳固定:藻类和蓝藻二氧化碳浓缩机制对气候变化的实验适应
  • 批准号:
    2222519
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
Development of Biologically Utilizable CO2 Fixation Technology through Enhancement of Physiological Function of Fast-growing Paulownia
增强速生泡桐生理功能开发生物利用CO2固定技术
  • 批准号:
    23K11480
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Collaborative Research: ORCC: Carbon fixation in future oceans: experimental adaptation of algal and cyanobacterial CO2-concentrating mechanisms to a changing climate
合作研究:ORCC:未来海洋的碳固定:藻类和蓝藻二氧化碳浓缩机制对气候变化的实验适应
  • 批准号:
    2222518
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
EPSRC DTP Research Studentship: Developing a new electro-photosynthesis system for CO2 fixation
EPSRC DTP 研究奖学金:开发用于二氧化碳固定的新型电光合作用系统
  • 批准号:
    2886510
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Studentship
Development of Novel CO2 Fixation Reactions Guided by Quantum Chemical Calculations
量子化学计算指导下新型二氧化碳固定反应的开发
  • 批准号:
    22H02069
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Improving the performance and efficiency of heterotrophic carbon fixation through strain engineering and membrane-based CO2 delivery
通过菌株工程和基于膜的二氧化碳输送提高异养碳固定的性能和效率
  • 批准号:
    2148629
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
Synergistic utilization of mixed ionic liquids and supercritical fluid chromatography in CO2 fixation
混合离子液体与超临界流体色谱在 CO2 固定中的协同应用
  • 批准号:
    22K14526
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Understanding and application of a biological Kolbe-Schmitt reaction: aromatic C-H activation coupled to CO2 fixation.
生物科尔贝-施密特反应的理解和应用:芳香族 C-H 活化与 CO2 固定相结合。
  • 批准号:
    BB/W016745/1
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Research Grant
SBIR Phase I: Carbon dioxide (CO2) fixation into cellulosic textile products through heteropolymer stabilization of enzymes in cell-free synthesis
SBIR 第一阶段:通过无细胞合成中酶的杂聚物稳定性将二氧化碳 (CO2) 固定到纤维素纺织产品中
  • 批准号:
    2136045
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
Batteries of the future-a new strategy for CO2 fixation and energy storage
未来的电池——二氧化碳固定和能量储存的新策略
  • 批准号:
    DP210101486
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Discovery Projects
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了