[NiFe]-Idrogenasi e [FeFe]-Idrogenasi: Applicazione Pratica delle Idrogenasi nella Rigenerazione dei Coenzimi Piridinici

In recent years, bio-catalysis has taken a leading role in the development of industrial biotechnological processes. Among the different classes of industrially relevant enzymes, oxidoreductases are particularly important as they catalyse the enzymatic reduction of prochiral substrates to synthetize enantiomeric compounds used in the pharmaceutical, food, or textile industry. The use of most oxidoreductases requires the presence of pyridine coenzyme, nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) and nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH), which act as donors of reducing equivalents. Their low stability and high cost limit the applicability of NAD(P)H-dependent oxidoreductases in large-scale industrial processes, necessitating the development of systems to regenerate them. Although many strategies have been proposed, no universal method has been established yet that combines high efficiency, with a high total turnover number for coenzyme regeneration, high selectivity, low cost, and ease of interface with enzymatic systems. As far as pyridine coenzyme regeneration is concerned, hydrogenases, in particular [NiFe]-hydrogenase and [FeFe]-hydrogenases, represent a promising alternative, as they can overcome the limitations of traditional enzymatic methods. Hydrogenases can use electrons from the reversible oxidation of hydrogen to reduce oxidized pyridine coenzyme, regenerating NAD(P)H while avoiding the production of secondary products. The present work aims to collect and analyse recent studies on the use of [NiFe]-hydrogenases and [FeFe]-hydrogenases to design enzymatic systems for pyridine coenzyme regeneration, comparing them with chemical, electrochemical, and traditional enzymatic methods, and underlining the advantages and the challenges associated with their use.

Negli ultimi anni, la bio-catalisi ha assunto un ruolo centrale nello sviluppo di processi biotecnologici industriali. Tra le differenti classi di enzimi di interesse industriale, spiccano le ossidoreduttasi, le quali sono in grado di catalizzare la riduzione enzimatica di substrati prochirali per sintetizzare composti chimici enantiomerici impiegati nel settore farmaceutico, alimentare o tessile. L’impiego della maggior parte delle ossidoreduttasi richiede la presenza di coenzimi piridinici nella loro forma ridotta, la nicotinammide adenina dinucleotide (NADH) e la nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADPH), che agiscono da donatori di equivalenti riducenti. La loro scarsa stabilità e il loro costo elevato limitano fortemente l’applicabilità delle ossidoreduttasi NAD(P)H-dipendenti in processi industriali su larga scala, rendendo necessaria la progettazione di sistemi per la loro rigenerazione in situ. Sebbene siano state proposte diverse strategie, non è ancora disponibile un metodo di rigenerazione universale che sia caratterizzato da una buona efficienza, con alti total turnover number per la rigenerazione del coenzima, da un’elevata selettività, che sia economico e che sia anche facilmente interfacciabile con un sistema enzimatico. In questo contesto, le idrogenasi, in particolare le [NiFe]-idrogenasi e le [FeFe]-idrogenasi, costituiscono un’alternativa promettente, in quanto permettono di superare le limitazioni associate ai metodi enzimatici tradizionalmente impiegati. Le idrogenasi permettono di impiegare gli elettroni ottenuti dall’ossidazione reversibile dell’idrogeno per ridurre efficientemente i coenzimi piridinici ossidati, rigenerando in situ il NAD(P)H ed evitando la formazione di prodotti secondari. Il presente lavoro ha lo scopo di raccogliere e analizzare recenti studi disponibili riguardanti l’utilizzo delle [NiFe]-idrogenasi e delle [FeFe]-idrogenasi nella progettazione di sistemi enzimatici per la rigenerazione dei coenzimi piridinici, confrontandoli con i metodi chimici, elettrochimici ed enzimatici tradizionalmente impiegati allo scopo, con l’obiettivo di sottolineare i vantaggi e le sfide associate al loro utilizzo.