Nuove formiato deidrogenasi clostridiali per la conversione di CO2 in formiato

The biological conversion of CO₂ into formate represents a promising strategy for sustainable carbon capture and utilization. This work investigates formate dehydrogenase from clostridial organisms and their potential for application in bioelectrochemical and CO₂ valorisation technologies. A novel formate dehydrogenase/[FeFe]-hydrogenase complex from Clostridium beijerinckii has been identified and characterised. The complex displays reversible catalytic activity, including the ability to split formate into H2 and CO2 and H₂-driven CO₂ reduction. Functional and spectroscopic analyses suggest that CbFdh/Hyd resembles previously described complexes in acetogenic bacteria and may explain the ability of C. beijerinckii to assimilate CO₂ and H₂ during solventogenesis. Additionally, it may play a key role in H2 metabolism by degrading formate produced from the decarboxylation of pyruvate. To overcome limitations associated with the large size, structural complexity and high oxygen sensitivity of the CbFdh/Hyd complex, a systematic truncation strategy was employed. This approach led to the identification of the heterodimeric CbFdhF/HycB2 complex as the minimal unit capable of activity. CbHycB2 is essential for complex stability and electron transfer, while CbHycB1 and the hydrogenase subunit are not necessary for formate oxidation. Structural modelling suggested a stabilising role for CbHycB2 via hydrophobic and electrostatic interactions. Protein film electrochemistry on CbFdh/HycB2 films demonstrated successful immobilisation and electrocatalytic activity on pyrolytic graphite electrodes, establishing CbFdhF/HycB2 as a robust platform for further studies and bioelectrochemical applications. In addition, a novel oxygen-tolerant tungsten-dependent formate dehydrogenase from Clostridium drakei was identified and characterised. CdFdh retains catalytic activity under aerobic conditions and can be immobilised on ITO electrodes to support CO₂ reduction, demonstrating its potential for sustainable biocatalysis. Preliminary attempts to engineer a more active chimeric complex with CdFdh and the stabilising CbHycB2 subunit further highlighted the feasibility of modular enzyme design, while indicating the need for optimisation of electron transfer and stability under aerobic conditions

La conversione biologica della CO₂ in formiato rappresenta una strategia promettente per la cattura e l'utilizzo sostenibile del carbonio. Questo lavoro studia le formiato deidrogenasi di alcuni clostridi e valuta il loro potenziale di applicazione nelle tecnologie bioelettrochimiche e di valorizzazione della CO₂. Un nuovo complesso formiato deidrogenasi/[FeFe]-idrogenasi da Clostridium beijerinckii è stato identificato e caratterizzato. Il complesso mostra un’attività catalitica reversibile: è in grado sia di scindere il formiato in H₂ e CO₂, sia di ridurre la CO₂ usando l’H₂ come donatore di elettroni. Mostra inoltre un’elevata sensibilità all’ossigeno. Analisi funzionali e spettroscopiche indicano che CbFdh/Hyd è analogo a complessi precedentemente descritti in batteri acetogenici; ciò potrebbe spiegare la capacità di C. beijerinckii di assimilare CO₂ e H₂ durante la solventogenesi. Il complesso potrebbe inoltre rivestire un ruolo centrale nel metabolismo dell’idrogeno, contribuendo alla degradazione del formiato generato dalla decarbossilazione del piruvato. Per superare le limitazioni associate alle grandi dimensioni, alla complessità strutturale e alla sensibilità all’ossigeno del complesso CbFdh/Hyd, una strategia di troncamento sistematico è stata adottata. Questo approccio ha portato all’identificazione del complesso eterodimerico CbFdhF/HycB2 come unità minima capace di attività catalitica. La subunità CbHycB2 si è rivelata essenziale per garantire la stabilità del complesso e un efficiente trasferimento elettronico, mentre CbHycB1 e la subunità idrogenasi non risultano necessarie per l’ossidazione del formiato. Modelli strutturali suggeriscono un ruolo stabilizzante per CbHycB2 tramite interazioni idrofobiche ed elettrostatiche. Studi elettrochimici su CbFdh/HycB2 hanno dimostrato il successo dell'immobilizzazione e dell'attività elettrocatalitica su elettrodi in grafite, stabilendo CbFdhF/HycB2 come una piattaforma robusta per ulteriori studi e applicazioni bioelettrochimiche. Inoltre, una nuova formiato deidrogenasi tungsteno-dipendente tollerante all’ossigeno di Clostridium drakei è stata identificata e caratterizzata. CdFdh mantiene la sua attività catalitica in condizioni aerobiche e può essere immobilizzata su elettrodi di ITO per la riduzione della CO₂, dimostrando il suo potenziale come biocatalizzatore. I tentativi preliminari di ingegnerizzare un complesso chimerico più attivo con CdFdh e la subunità stabilizzante CbHycB2 hanno ulteriormente dimostrato che il design modulare di questi enzimi è possibile, indicando al contempo la necessità di ottimizzare il trasferimento di elettroni e la stabilità in condizioni aerobiche.