Insights into Cell-Free Conversion of CO2 to Chemicals by a Multienzyme Cascade Reaction

甲酸脱氢酶 甲醛脱氢酶 化学 醇脱氢酶 级联反应 甲醇 辅因子 格式化 生物催化 组合化学 甲醇脱氢酶 等温滴定量热法 有机化学 催化作用 NAD+激酶 生物化学 反应机理
作者
Raushan Kumar Singh,Ranjitha Singh,Dakshinamurthy Sivakumar,Sanath Kondaveeti,Taedoo Kim,Jinglin Li,Bong Hyun Sung,Byung‐Kwan Cho,Dong Rip Kim,Sun Chang Kim,Vipin Chandra Kalia,Yi-Heng P. Job Zhang,Huimin Zhao,Yun Chan Kang,Jung-Kul Lee
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:8 (12): 11085-11093 被引量:99
标识
DOI:10.1021/acscatal.8b02646
摘要

Multienzymatic cascade reactions have garnered the attention of many researchers as an approach for converting CO2 into methanol. The cascade reaction used in this study includes the following enzymes: a formate dehydrogenase (ClFDH), a formaldehyde dehydrogenase (BmFaldDH), and an alcohol dehydrogenase (YADH) from Clostridium ljungdahlii, Burkholderia multivorans, and Saccharomyces cerevisiae, respectively. Because this cascade reaction requires NADH as a cofactor, phosphite dehydrogenase (PTDH) was employed to regenerate the cofactor. The multienzymatic cascade reaction, along with PTDH, yielded 3.28 mM methanol. The key to the success of this cascade reaction was a novel formaldehyde dehydrogenase, BmFaldDH, the enzyme catalyzing the reduction of formate to formaldehyde. The methanol yield was further improved by incorporation of 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIM-Ac), resulting in 7.86 mM of methanol. A 500-fold increase in total turnover number was observed for the ClFDH-BmFaldDH-YADH cascade system compared to the Candida boidinii FDH-Pseudomonas putida FaldDH-YADH system. We provided detailed insights into the enzymatic reduction of CO2 by determining the thermodynamic parameters (Kd and ΔG) using isothermal titration calorimetry. Furthermore, we demonstrated a novel time-dependent formaldehyde production from CO2. Our results will aid in the understanding and development of a robust multienzyme catalyzed cascade reaction for the reduction of CO2 to value-added chemicals.

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