Métabolisme de l’hydrogène

Hydrogen metabolism

Research

Nos recherches portent principalement sur les hydrogénases qui sont des enzymes qui catalysent de façon réversible, l’oxydation de l’hydrogène moléculaire en protons. Nos travaux ont pour but d’étudier le rôle des hydrogénases dans le métabolisme énergétique des cellules ainsi que les mécanismes réactionnels de ces enzymes. Nous développons ainsi une approche pluridisciplinaire intégrée du métabolisme de l’hydrogène, en étroite collaboration avec les équipes de chimistes et de physiciens de l’unité, depuis l’enzyme et l’acte catalytique jusqu’à ses fonctions cellulaires et son rôle dans les mécanismes générateurs d’énergie. Nos travaux s’insèrent donc dans l’axe thématique « hydrogène et métabolismes associés » du laboratoire.

Nous étudions plusieurs modèles biologiques parmi lesquels la bactérie sulfato-réductrice Desulfovibrio fructosovorans, particulièrement intéressante puisqu’elle possède un système complexe de six hydrogénases différentes : 4 hydrogénases à [FeFe] et 2 hydrogénases à [NiFe]. Pourquoi une telle diversité des hydrogénases dans un même organisme ? Quel est le rôle de ces enzymes ?

Actuellement, nos recherches se focalisent sur l’étude d’une hydrogénase à [FeFe] de cet organisme, Hnd, qui réalise la bifurcation des électrons. Les enzymes qui bifurquent les électrons réalisent le couplage énergétique d’une réaction rédox exergonique avec une réaction rédox endergonique. La bifurcation des électrons émerge actuellement comme principe fondamental des mécanismes de conservation d’énergie du vivant. De nombreuses flavoenzymes pourraient réaliser la bifurcation des électrons mais un nombre très restreint de modèles enzymatiques fait l’objet de recherches.

Parmi ces enzymes, une nouvelle classe d’hydrogénases à [FeFe] multimériques a été mise en évidence chez les bactéries anaérobies. Ces enzymes présentent la particularité d’utiliser deux accepteurs/donneurs d’électrons simultanément. Il a en effet été montré que ces hydrogénases couplent la réduction des protons à l’oxydation endergonique du NADH et à l’oxydation exergonique concomittante d’une ferredoxine réduite (et/ou la réaction inverse). Nous étudions cette enzyme depuis son fonctionnement moléculaire jusqu’à son rôle physiologique dans la bactérie.

            Nos recherches ont également pour objectifs de lever les verrous scientifiques à l’utilisation des hydrogenases dans des procédés biotechnologiques et notamment de comprendre les bases moléculaires de l’inactivation des hydrogénases par l’O2 qui est une des limitations principales actuelles. En effet, le dihydrogène est considéré comme un carburant « propre » du futur, en alternative aux carburants fossiles à condition qu’il ne soit plus produit à base d’énergie fossile. Dans ce contexte, la conversion de l’énergie solaire en H2 constitue une stratégie attrayante pour la bioproduction de ce combustible. Les solides compétences de l’équipe en génétique, biologie moléculaire et biochimie des hydrogénases nous ont conduit à prendre part à plusieurs projets financés par l’ANR (Engineering-H2 Cyano, 2009-2013; Algo-H2, 2011-2015; Cyanhy, 2013-2017) sur l’ingénierie d’organismes photosynthétiques (cyanobactéries ou microalgue verte Chlamydomonas) en vue d’une photo-bioproduction d’H2.

  Parallèlement à l’étude des hydrogénases, une deuxième thématique de recherche concernant les oxydases terminales et la respiration aérobie bactérienne est développée au sein de l’équipe. Actuellement, nous nous intéressons en particuliers à l’oxydase de type bd (de Desulfovibrio fructosovorans et d’Escherichia coli). Par des approches de biochimie, biophysique et physico-chimie, en collaboration avec l’équipe « Biophysique des metalloprotéines » (mettre un lien vers l’équipe) du laboratoire, nous réalisons une étude moléculaire et fonctionnelle de cette enzyme.

Our research focuses on hydrogenases, which are enzymes that reversibly catalyze the oxidation of molecular hydrogen into protons. The goal of our work is to study the role of hydrogenases in the energy metabolism of cells as well as the reaction mechanisms of these enzymes. We are thus developing an integrated multidisciplinary approach to hydrogen metabolism, in close collaboration with groups of chemists and physicists of the laboratory, from the enzyme and the catalytic activity to its cellular functions and its role in energy-generating mechanisms. Our work is therefore part of the laboratory’s « hydrogen and associated metabolisms » thematic axis (link to the axis).

            We are studying several biological models including the sulphate-reducing bacterium Desulfovibrio fructosovorans, which is of particular interest since it has a complex system of six different hydrogenases: 4 [FeFe]- and 2 [NiFe]-hydrogenases. Why such a diversity of hydrogenases in the same organism? What is the role of these enzymes?

Currently, our research is focused on the study of an [FeFe]-hydrogenase of this organism, Hnd, which carries out electron bifurcation. Electron-bifurcating enzymes couple an exergonic redox reaction with an endergonic redox reaction. Electron bifurcation is currently emerging as a fundamental principle of energy conservation mechanisms of living organisms. Many flavoenzymes could perform electron bifurcation but a very limited number of enzyme models are being studied.

Among these enzymes, a new class of multimeric [FeFe]-hydrogenases has been identified in anaerobic bacteria. These enzymes have the particularity of using two electron acceptors/donors simultaneously. These hydrogenases have been shown to couple proton reduction to the endergonic oxidation of NADH and the concomitant exergonic oxidation of a reduced ferredoxin (and/or the reverse reaction). We are studying this enzyme from its molecular function to its physiological role in the bacterium.

            Our research also aims to remove the scientific barriers to the use of hydrogenases in biotechnological processes and in particular to understand the molecular basis of the inactivation of hydrogenases by O2, which is one of the main current limitations. Indeed, dihydrogen is considered as a « clean » fuel of the future, as an alternative to fossil fuels, provided that it is no longer produced from fossil fuels. In this context, the conversion of solar energy into H2 is an attractive strategy for the bioproduction of this fuel. The group’s strong expertise in genetics, molecular biology and biochemistry of hydrogenases has led us to take part in several ANR-funded projects (Engineering-H2 Cyano, 2009-2013; Algo-H2, 2011-2015; Cyanhy, 2013-2017) on the engineering of photosynthetic organisms (cyanobacteria or Chlamydomonas green microalgae) for H2 photo-bioproduction.

                In parallel with the study of hydrogenases, a second research theme concerning terminal oxidases and bacterial aerobic respiration is being developed within the team. Currently, we are particularly interested in bd-type oxidase (from Desulfovibrio fructosovorans and Escherichia coli). Using biochemical, biophysical and physico-chemical approaches, in collaboration with the « Biophysics of metalloproteins » group (link to the group) of the laboratory, we are developing a molecular and functional study of this enzyme.