Metabolic Engineering to Improve Biohydrogen Production by Rhodobacter capsulatus JP91

Abstract

La demande pour l'énergie augmente de jour en jour, ce qui se traduit par une attention mondiale à l'égard d'autres carburants respectueux de l'environnement parce que les combustibles fossiles nuisent à l'environnement. La production biologique d'hydrogène est une méthode alternative pour la production d'hydrogène, grâce à laquelle elle est produite dans des conditions douces, respectueux de l'environnement. La production photo-biologique d'hydrogène par les bactéries photosynthétiques pourpres non sulfureuses est un processus prometteur dans lequel les bactéries peuvent capturer de l'énergie lumineuse pour conduire la production d'H2 avec leur système de nitrogénase. Cependant, certaines voies métaboliques, tel que la fixation du CO2 et la biosynthèse du PHB, rivalisent avec la nitrogénase pour les électrons. Récemment, l'génie la métabolique a été appliqué pour améliorer le taux et le rendement de production d'H2. Le but de la présente étude était d'améliorer le rendement de la production d'H2 pendant la Photosynthèse par Rhodobacter capsulatus JP91 en utilisant des approches d'ingénierie métabolique. Notre hypothèse était que l'inactivation de PHB synthase (phbC) arrêterait la biosynthèse de PHB et dirigerait plus de flux des électrons dérivés du substrat vers la nitrogénase pour catalyser la production d’H2. Dans des études antérieures, des mutants dans la PHB synthase ont été développés dans d'autres bactéries photosynthétiques, y compris R. sphearoides et Rhodopseudomonas palustris mais pas Rhodobacter capsulatus. Dans cette étude, nous avons développé une nouvelle souche R. capsulatus RS15 doublement mutée (hupˉ, phbCˉ) qui était dérivée de R. capsulatus JP91 (hupˉ). Nos résultats montrent que la nouvelle souche, R. capsulatus RS15 pourrait croître dans différentes sources de carbone et d'azote. Notre mutant a une longue phase de décalage. Cependant, une foi démarrée, lorsqu'elle atteignait la phase logarithmique, sa croissance était similaire à ce de la souche parentale. À partir des résultats de la production d’hydrogène, la souche RS15 nouvellement développée est capable de convertir l'acétate, le lactate et le glucose en hydrogène l’acétate semble d’être la meilleure source de carbone pour la production de H2 par RS15 mais pas pour sa croissance. Surtout, R. capsulatus RS15 (hup-, phbC-) semble d’être un candidat prometteur pour le système hybride à deux niveaux puisque les principaux effluents de fermentation sombre sont l'acétate et le butyrate. Donc, ce processus peut potentiellement rendre la technologie de production de bio hydrogène possible à l’échelle industrielle.

Energy demand is increasing day by day, resulting in global attention towards alternative eco- friendly fuels. Biohydrogen is considered the most promising energy carrier to replace conventional fossil fuels because its production and combustion is not harmful to the environment. Biological hydrogen production is an alternative method for hydrogen production, by which hydrogen is produced under mild conditions, making it environmentally friendly. Photo- biological hydrogen production by purple non-sulfur photosynthetic bacteria is a promising process in which bacteria can capture light energy to drive H2 production with their N2ase system. Some metabolic pathways, such as CO2 fixation and PHB biosynthesis, compete with nitrogenase for electrons (reducing equivalents). Recently, in attempts to improve the yield of H2, metabolic engineering has been applied to increase electron flow to N2ase. The purpose of the present study was to improve the yield of photosynthetic H2 production by Rhodobacter capsulatus JP91 using a metabolic engineering approach. The hypothesis was that inactivation of PHB synthase (phbC) would block PHB biosynthesis, thus directing more electron flux towards nitrogenase to catalyze increased H2 production. In previous studies, PHB synthase mutants were developed in other photosynthetic bacteria, including R. sphearoides and Rhodopseudomonas palustris but not Rhodobacter capsulatus. In this study, a new doubly mutated R. capsulatus strain RS15 (hup‾, phbC‾), a derivative of R. capsulatus JP91 (hup‾) was created. The results show that the newly created strain, R. capsulatus RS15, could grow in different carbon and nitrogen sources. This mutant has a long lag phase. However, once it reached log phase, growth was similar to the parental strain. From hydrogen production studies, the new developed strain RS15 is able to convert acetate, lactate, and glucose to hydrogen. Acetate was shown to be the best carbon source for H2 production by RS15 but not for its growth. Overall, R. capsulatus RS15 (hup‾, phbC‾) seems to be a promising candidate for use in two - stage hybrid systems since the main dark fermentation effluents are acetate and butyrate. Such a process could potentially make biohydrogen production technology feasible on an industrial scale.