Engineering an oxygen-tolerant hydrogen metabolism in cyanobacteria

Abstract

Cyanobacteria can serve as carbon-neutral factories, using light-driven water oxidation for producing valuable chemicals and biofuels. In this context, [NiFe] hydrogenases are promising due to their ability to utilize or produce H2. However, cyanobacterial hydrogenases' O2 sensitivity limits their use in oxygenic metabolism. There exists a group of O2-tolerant [NiFe] hydrogenases which can operate under aerobic conditions. The functional expression of a O2-tolerant hydrogenase from Cupriavidus necator (CnSH) in Synechocystis sp. PCC 6803 was a primary goal of this PhD thesis. Synechocystis successfully assembled functional CnSH under aerobic conditions, showing H2 oxidation during oxygenic photosynthesis. Further, higher specific CnSH activity in Synechocystis was achieved by changing the regulatory genetic elements and co-expressing CnSH with its maturation genes from C. necator. In conclusion, this research paves the way for H2-supported O2-dependent biotransformations in phototrophs and photo-H2 production.

Cyanobakterien können die lichtgetriebene Wasseroxidation zur Herstellung wertvoller Chemikalien und Biokraftstoffe nutzen und dadurch als CO2-neutrale Fabriken dienen. In diesem Kontext sind [NiFe]-Hydrogenasen, aufgrund ihrer Fähigkeit, H2 zu nutzen oder zu produzieren, vielversprechend. Allerdings schränkt die O2-Empfindlichkeit cyanobakterieller Hydrogenasen ihre Verwendung im Sauerstoffstoffwechsel ein. Die funktionale Expression einer O2-toleranten Hydrogenase aus Cupriavidus necator (CnSH) in Synechocystis sp. PCC 6803 war ein Hauptziel dieser Doktorarbeit. Synechocystis bildete unter aeroben Bedingungen erfolgreich funktionelles CnSH und zeigte H2-Oxidation, gleichzeitig zur oxygenen Photosynthese. Darüber hinaus wurde eine höhere spezifische CnSH-Aktivität in Synechocystis durch die Änderung der regulatorischen genetischen Elemente und die Co-Expression von CnSH mit dafür spezifischen Reifungsgenen aus C. necator erreicht.