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Engineering bionanoreactor in bacteria for efficient hydrogen production

细菌 制氢 生产(经济) 生化工程 化学 生物 微生物学 生物技术 计算生物学 工程类 遗传学 有机化学 经济 宏观经济学
作者
Weiming Tu,Ian P. Thompson,Wei E. Huang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (29) 被引量:1
标识
DOI:10.1073/pnas.2404958121
摘要

Hydrogen production through water splitting is a vital strategy for renewable and sustainable clean energy. In this study, we developed an approach integrating nanomaterial engineering and synthetic biology to establish a bionanoreactor system for efficient hydrogen production. The periplasmic space (20 to 30 nm) of an electroactive bacterium, Shewanella oneidensis MR-1, was engineered to serve as a bionanoreactor to enhance the interaction between electrons and protons, catalyzed by hydrogenases for hydrogen generation. To optimize electron transfer, we used the microbially reduced graphene oxide (rGO) to coat the electrode, which improved the electron transfer from the electrode to the cells. Native MtrCAB protein complex on S. oneidensis and self-assembled iron sulfide (FeS) nanoparticles acted in tandem to facilitate electron transfer from an electrode to the periplasm. To enhance proton transport, S. oneidensis MR-1 was engineered to express Gloeobacter rhodopsin (GR) and the light-harvesting antenna canthaxanthin. This led to efficient proton pumping when exposed to light, resulting in a 35.6% increase in the rate of hydrogen production. The overexpression of native [FeFe]-hydrogenase further improved the hydrogen production rate by 56.8%. The bionanoreactor engineered in S. oneidensis MR-1 achieved a hydrogen yield of 80.4 μmol/mg protein/day with a Faraday efficiency of 80% at a potential of −0.75 V. This periplasmic bionanoreactor combines the strengths of both nanomaterial and biological components, providing an efficient approach for microbial electrosynthesis.
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