Bioproduction d'hydrogène par la cyanobactérie synechocystis sp. PCC 6803

• Auteur / Autrice : Melissa Cano
• Direction : Pierre Richaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 24/09/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Amel Latifi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Gugliarelli, Laurent Cournac
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Juan-carlos Fontecilla-camps, Corinne Cassier-chauvat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxygène

Génie génétique

Hydrogénases

Mots clés libres

Cyanobactérie

Hydrogénase

Biohydrogène

Sensibilité à l'oxygène

Diaphorase

Ingénierie génétique

Cyanobacteria

Hydrogenase

Biohydrogen

Oxygen sensitivity

Diaphorase

Genetic engineering

Résumé

Les microorganismes photosynthétiques suscitent un intérêt biotechnologique important pour la production de dihydrogène. La cyanobactérie Synechocystis sp. PCC 6803 est capable d'initier une photoproduction d'hydrogène catalysée par une hydrogénase [NiFe] bidirectionnelle qui se présente sous la forme d'un complexe pentamérique (HoxEFUYH). Toutefois l'inhibition de cette enzyme par l'oxygène émis par le photosystème II rend cette photoproduction transitoire et constitue un verrou majeur au développement de tels procédés. L'exploitation de ces organismes impose une meilleure compréhension des bases moléculaires associées à la sensibilité de l'hydrogénase envers l'oxygène ainsi que des composantes limitant son activité de production d'H2, ce qui implique la connaissance détaillée des jeux d'interactions avec ses partenaires physiologiques NAD(P)+/NAD(P)H.Diverses substitutions d'acides aminés potentiellement impliqués dans la sensibilité de l'enzyme à l'O2 et situés au cœur du site actif (Ileu64, Leu107, Leu112) de la sous-unité catalytique HoxH ont été réalisées. Les résultats in vitro et in vivo indiquent une sensibilité envers l'O2 moindre chez le mutant I64M, qui présente une diffusion limitée et un biais vers l'activité de production d'H2.L'étude des interactions de mutants de délétion des gènes diaphorase hoxE et hoxF avec les cofacteurs NAD(P) a montré que NAD+/NADH semblent être les partenaires privilégiés de l'hydrogénase pour le transfert d'électrons, tandis que le NADPH a un effet activateur sur l'enzyme.Ces études apportent des éléments importants pour envisager une optimisation ciblée et maîtrisée pour la bioproduction d'H2.

Oxygenic photosynthetic organisms are a matter of great biotechnological interest for the production of dihydrogen using what seem to be infinite resources, water and solar energy. The cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 encodes a bidirectional [NiFe] hydrogenase consisting of a pentameric complex (HoxEFUYH) that allows it to carry H2 photoproduction. However, it is a transient process, mainly due to the oxygen sensitivity of hydrogenases, O2 being produced at PSII during photosynthesis. Future exploitation of these organisms in bioprocesses requires a better understanding of the molecular bases of O2 sensitivity of the hydrogenase and of the elements limiting H2 evolution which involves detailed knowledge of the interactions of the enzyme with its physiological partners NAD(P)+/NAD(P)H.Various mutants of the Synechocystis hydrogenase were created by genetic engineering, targeting specific amino acid residues (Ileu64, Leu107, Leu112) in the catalytic subunit HoxH identified as putative critical elements for O2 sensitivity. Results obtained in vitro and in vivo indicate that the substitution I64M slightly improves O2 tolerance and alters gas diffusion kinetics with a bias towards H2 production. Studying the interaction of diaphorase gene-deletion mutants hoxF and hoxE with partners NAD(P) showed that NAD+/NADH are the preferential electron acceptor/donor of the hydrogenase, while NADPH is more efficient for enzyme activation.These studies provide first insights on the determinants of the oxygen sensitivity of the hydrogenase of Synechocystis and its activation, which are critical elements to consider in targeted optimization for bioproduction of H2.