L’hydrogénase [Ni-Fe] multi-tolérante d’Aquifex aeolicus : de l’immobilisation fonctionnelle à la biopile H2/O2

par Alexandre Ciaccafava

Thèse de doctorat en Biochimie structurale

Sous la direction de Elisabeth Lojou.

Le président du jury était James N. Sturgis.

Le jury était composé de Elisabeth Lojou, James N. Sturgis, Petra Hellwig, Alain Walcarius, Lo Gorton, Nicolas Mano.

Les rapporteurs étaient Petra Hellwig, Alain Walcarius.


  • Résumé

    Les hydrogénases sont les enzymes responsables de la conversion de l'H2. De part leur efficacité et spécificité vis-à-vis de l'oxydation de l'H2, elles apparaissent comme des biocatalyseurs potentiels dans les biopiles à combustible. Dans cet objectif, nous avons étudié l'immobilisation fonctionnelle sur diverses électrodes de l'hydrogénase membranaire tolérante à l'O2 de la bactérie hyperthermophile Aquifex aeolicus. Par une approche couplée d'électrochimie, de microscopie et de spectroscopie, il est montré que l'orientation de l'hydrogénase sur une électrode n'est pas contrôlée par des interactions électrostatiques mais hydrophobes. Ce contrôle est lié à l'environnement spécifique du dernier relais électronique en surface de l'enzyme. En particulier, l'hélice transmembranaire hydrophobe entourée de détergent est impliquée dans l'immobilisation. Cette orientation spécifique induit la nécessité d'un médiateur redox pour l'oxydation de l'H2 sur une interface hydrophobe. A contrario, l'hydrogénase adopte une multitude d'orientations sur surfaces chargées. Dans ces conditions, une connexion directe efficace des enzymes est obtenue, mais aussi l'augmentation du courant global par médiation de l'oxydation de l'H2. La définition des paramètres d'immobilisation de l'hydrogénase, a permis de développer des interfaces électrochimiques propres à l'augmentation des courants. En couplant une biocathode basée sur la bilirubin oxidase pour la réduction de l'O2, une biopile H2/O2 a été construite basée à l'anode sur l'hydrogénase d'Aquifex aeolicus.


  • Résumé

    Hydrogenases are the key enzymes for H2 conversion in many microorganisms. They present high specificity and efficiency towards H2 oxidations. Consequently, they appear as attracting biocatalysts in view of the development of biofuel cells. Within that goal, we have studied in this work the functional immobilization of O2-tolerant [NiFe] hydrogenase from the hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus. Using electrochemistry, microscopy and spectroscopy, including PM-IRRAS, it is demonstrated that hydrogenase orientation on electrode interface is not controlled by electrostatic interactions but by hydrophobic interactions. The control of the orientation is driven by the environment of the last electron relay located at the surface of the enzyme. The hydrophobic transmembrane helix which is surrounded by neutral detergent is directly involved in the immobilization process. This specific orientation on hydrophobic interface induces the need for a redox mediator in order to achieve H2 oxidation. Conversely, hydrogenase adopts multiple orientations on charged interfaces. As a consequence, a direct and efficient connexion of enzymes is obtained, but also the increase in oxidation current is obtained due the mediated electrocatalysis. The determination of the best parameters for hydrogenase immobilization has allowed to develop new electrochemical interfaces, with increased current densities for H2 oxidation, and increased bioelectrode stability. By coupling a biocathode based on bilirubin oxidase for O2 reduction, a H2/O2 biofuel cell has been built with Aquifex aeolicus hydrogenase as the bioanode.


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