Importance of hydrogen-mediated mechanisms for microbial electrosynthesis: regulation at the molecular level

Abstract

Microbial electrosynthesis (MES) is engineered to use electric power and carbon dioxide (CO2) as the only energy and carbon sources in reductive bioelectrochemical processes for biosynthesis. This technology is conducted in bioelectrochemical systems (BES) and takes advantage of electroactive microorganisms. In MES, hydrogen (H2) has been highlighted as the key intermediate element involved in a whole range of microbial metabolisms for the reduction of CO2.

Basic processes in MES rely on the transformation of electric power (electrons) into chemical energy in a process called extracellular electron transfer (EET) An electromethanogenic reactor was used to study putative genes taking part in EET. Microbial community composition analysis through both DNA and cDNA signatures revealed that electromethanogenesis was conducted by Methanobacterium sp. Short-time changes in electron flow (closed and open electric circuits) were used to determine the gene expression levels of [NiFe]-hydrogenases (Eha, Ehb, and Mvh), heterodisulfide reductase (Hdr), coenzyme F420-reducing [NiFe]-hydrogenase (Frh), and hydrogenase maturation protein (HypD). According to RT-PCR data, suspected mechanisms were not regulated at the transcriptional level.

Some microorganisms could serve as potentially interesting sustainable H2 producers in biocathodes. We have studied the biological H2 production in biocathodes operated at -1.0 V vs. Ag/AgCl, using a highly comparable technology and using CO2 as the sole carbon feedstock. Ten different bacterial strains were chosen from genera Rhodobacter, Rhodopseudomonas, Rhodocyclus, Desulfovibrio, and Sporomusa, all described as hydrogen-producing candidates. Eight over ten bacterial strains showed electroactivity and H2 production rates increased significantly (2 to 8-fold) compared to abiotic conditions for two of them (Desulfovibrio paquesii DSM 16681 and Desulfovibrio desulfuricans DSM 642).

The application of bacteria-coated cathodes for sustainable H2 production may not be efficient enough to maintain H2 biosynthetic requirements for highly efficient producing strains. Here, we applied genetic engineering tools intending to further increase the H2 production ability of D. paquesii. [Fe]-only hydrogenase and tetraheme cytochrome c3 were selected as genes of interest to be overexpressed in D. vulgaris DSM 644 and D. paquesii DSM 16681. Different conditions and described protocols were tested towards implementing the proper mechanisms to ensure overexpression of the selected genes.

The presented approaches might have contributed to a better understanding of the key role of H2 during microbial electrosynthesis and derive some conclusions. First, enhancing the current knowledge of extracellular electron transfer may lead to better control of reductive BES. Second, the required H2 supply for sustainable electrochemical bioprocesses may be provided in a more efficient way using bio-H2 evolving microorganisms. Finally, the application of synthetic biology and defined consortia should be considered for new and promising contributions in the METs field

L’electrosíntesi microbiana (MES en anglès) utilitza l’electricitat i el diòxid de carboni (CO2) com a única font d’energia i carboni durant els processos bioelectroquímics per a la biosíntesis. Aquest procés es duu a terme en sistemes bioelectroquímics (BES en anglès) aprofitant els microorganismes coneguts com electroactius. Durant l’electrosíntesi microbiana, l’hidrogen (H2) ha estat destacat com a intermediari clau involucrat en varietat de metabolismes microbians durant la reducció del CO2.

Els processos bàsics en el MES depenen de la transformació de l’electricitat (electrons) en energia química en el procés anomenat transferència d’electrons (EET en anglès). Per estudiar els gens potencialment implicats en la transferència d’electrons, es va usar un reactor electrometanogènic. L’anàlisi de la composició de la comunitat microbiana, utilitzant l’ADN i l’ADN complementari, van destacar Methanobacterium sp. com a principal arqueu. Per determinar els nivells d’expressió gènica de [NiFe]-hidrogenases (Eha, Ehb i Mvh), heterodisulfur reductasa (Hdr), coenzim F420 [NiFe]-hydrogenasa (Frh) i la proteïna de maduració HypD, es van induir canvis a curt termini en el flux d’electrons (circuit elèctric obert o tancat). Els resultats obtinguts amb RT-PCR suggerien que els mecanismes implicats en la transferència d’electrons no es trobaven regulats a nivell transcripcional.

Alguns microorganismes poden servir com a potencials bio-productors d’H2 en els biocàtodes. En aquest treball s’estudia la producció biològica d’H2 en biocàtodes operats a -1.0 V vs. Ag/AgCl, emprant una metodologia comparable i CO2 com a font de carboni. Es van escollir deu soques bacterianes dels gèneres Rhodobacter, Rhodopseudomonas, Rhodocyclus, Desulfovibrio i Sporomusa, totes elles descrites com a candidats per a la producció d’H2. Vuit de les deu soques testades van mostrar electroactivitat i les taxes de producció d’H2 van ser significativament superiors respecte a les condicions abiòtiques (de 2 a 8 vegades) en dues d’elles (Desulfovibrio paquesii DSM 16681 i Desulfovibrio desulfuricans DSM 642).

L’aplicació de biocàtodes per a la producció sostinguda d’H2 pot ser que no sigui prou eficient per a mantenir els requeriments que han de permetre incentivar el metabolisme d’altres soques microbianes. En conseqüència, hem aplicat tècniques d’enginyeria genètica per incrementar l’habilitat de D. paquesii per a la producció d’H2. Els gens seleccionats per ser sobre-expressats van ser la [Fe]-hidrogenasa i el citocrom c3 en dues soques, D. vulgaris DSM 644 i D. paquesii DSM 16681. Es van testar diverses condicions i protocols experimentals per la implementació dels mecanismes adients que asseguressin la sobre-expressió dels gens seleccionats.

Les aproximacions presentades han contribuït a entendre millor el paper clau de l’H2 durant l’electrosíntesi microbiana i han derivat en diverses conclusions. La primera és que expandir el coneixement sobre els mecanismes de transferència d’electrons ha de permetre un millor control dels sistemes bioelectroquímics. La segona és que el requeriment d’H2 per poder operar de manera sostinguda els processos bioelectroquímics pot subministrar-se d’una manera eficient usant microorganismes amb la capacitat de produir H2. I per últim, que l’aplicació de la biologia sintètica així com dels co-cultius definits han de ser considerades dues contribucions prometedores en el camp de les tecnologies bioelectroquímiques