Application to Photocatalytic H₂ Production of a Whole‐Cell Reaction by Recombinant Escherichia coli Cells Expressing [FeFe]‐Hydrogenase and Maturases Genes

Abstract

A photocatalytic H2 production system using an inorganic-bio hybrid photocatalyst could contribute to the efficient utilization of solar energy, but would require the development of a new approach for preparing a H2 -forming biocatalyst. In the present study, we constructed a recombinant strain of Escherichia coli expressing the genes encoding the [FeFe]-hydrogenase and relevant maturases from Clostridium acetobutylicum NBRC 13948 for use as a biocatalyst. We investigated the direct application of a whole-cell of the recombinant E. coli. The combination of TiO2 , methylviologen, and the recombinant E. coli formed H2 under light irradiation, demonstrating that whole cells of the recombinant E. coli could be employed for photocatalytic H2 production without any time-consuming and costly manipulations (for example, enzyme purification). This is the first report of the direct application of a whole-cell reaction of recombinant E. coli to photocatalytic H2 production.

Visible‐Light Direct Conversion of Ethanol to 1,1‐Diethoxyethane and Hydrogen over a Non‐Precious Metal Photocatalyst

“…Converting water into renewable hydrogen (H 2 ) fuel by photocatalytic water splitting, inspired by natural photosynthesis, has been considered as a promising avenue to settle the energy and environmental issues, attracting enthusiastic attention in recent decades . However, a sacrificial agent (e.g., methanol and ethanol) needs to be added to improve the efficiency of solar‐to‐H 2 conversion in most reaction systems . The main function of these sacrificial agents is capturing photo‐generated holes to accelerate water oxidation kinetics.…”

Photobiokatalyse: Aktivierung von Redoxenzymen durch direkten oder indirekten Transfer photoinduzierter Elektronen

“…In einer Arbeit von Moore et al wurde eine PEC-Reaktionsplattform aus einer 5-(4-Carboxyphenyl)-10,15,20-tris(4-methylpheny1)porphyrin-TiO 2 -Photoanode und einer Pt-Kathode beschrieben, die erfolgreich zur Photooxidation von NADH mit angekoppelter H 2 -Produktion eingesetzt werden konnte. [138] Die Reaktionsplattform aus Halbleiter und rekombinanten Zellen lieferte bei Einsatz von 0.1 gfeuchter E. coli-Zellen 117 mmol H 2 bei einer Reaktionszeit von 5h.O bwohl die anfängliche Geschwindigkeit der H 2 -Produktion niedriger war als in dem Hybridsystem aus TiO 2 /MV 2+ /aufgereinigte Hydrogenase (171 mmol H 2 nach 5hReakstionszeit), zeigten die Biokatalysatoren aus ganzen Zellen hçhere Stabilitäten und behielten ihre Aktivitätf ür15hbei. [126] Eine Vielzahl synthetisch wertvoller Reaktionen, die von Oxidoreduktasen katalysiert werden, bençtigen die entsprechenden Kofaktoren in ihrer reduzierten anstelle der oxidierten Form.…”

“…[137] Dabei erreichten sie einen vollständigen Umsatz von 2-Methyl-N-methylmaleimid zu (R)-2-Methyl-N-methylsuccinimid (> 99 % ee)m it einer Produktivitätvon 1.05 gpro gT rockengewicht der Zelle und eine Ausbeute pro Volumen und Zeit von 0.63 gL À1 h À1 .Z usätzlich zu Cyanobakterien werden auch andere ganze Zellen wie beispielsweise rekombinante Escherichia coli-Zellen, die [FeFe]-Hydrogenase und die entsprechenden relevanten Maturasen exprimieren, zusammen mit TiO 2 und MV zur photogetriebenen Produktion von H 2 eingesetzt. [138] 3 ] 2+ (Photosensibilisator) -[ Cp*Rh(4,4'-dcbpy)H 2 O] 2+ (Elektronenmediator) -N AD + beschrieben. [139] Das homogene,k ol-loidale System war bei Kopplung an die Wasseroxidation innerhalb einer Reaktionszeit von 2hnur in der Lage,1 0.7 % des NADH zu regenerieren und lieferte damit eine um etwa das siebenfache geringere Ausbeute als unter Einsatz von TEOAals Elektronendonor.Die Gesamtaktivitätvon mittels Wasseroxidation angetriebenen biokatalytischen Reduktionen wird durch einander entgegengesetzte Oxidations-und Reduktionsreaktion beeinträchtigt, die mit dem Rücktransfer von Elektronen und der Rekombination von Ladungen einhergehen.…”

Artificial Light‐Harvesting Complexes Enable Rieske Oxygenase Catalyzed Hydroxylations in Non‐Photosynthetic cells

“…[31,32] One of the earliest examples of a whole-cell reaction was reported using recombinant E. coli coupled to photocatalytic H 2 production via an extracellular photosensitizer (TiO 2 ) and methyl viologen as the electron mediator. [31] Similarly, the light-driven H 2 evolution and C=C or C=O bond hydrogenation by Shewanella oneidensis using methyl viologen was shown. [33] These are interesting systems, however, the toxicity of methyl viologen is well known, thus hampering large-scale applications.…”