Le métabolisme du CO2 joue un rôle fondamental en biologie, car il représente un "élément de base" pour la synthèse de molécules organiques chez les organismes vivants. D’autre part, les émissions excessives de CO2 dues à l'activité humaine au cours des dernières décennies, nécessite aujourd’hui la recherche de solutions efficaces dédiées à la fermeture du cycle du carbone. Ainsi, il est intéressant de développer certaines alternatives inspirées de la nature. En particulier, la monoxyde de carbone deshydrogénase (CODH) catalyse la réduction réversible du CO2 en CO et représente un biocatalyseur intéressant en termes d'activité, de sélectivité et de capacité à fonctionner dans des conditions douces avec de faibles surtensions. En outre, sa production est économiquement intéressante et est basée sur l’utilisation des métaux abondants sur terre. Pour ces raisons, plusieurs études ont été menées sur les [NiFe]-CODH pour des applications dans des réactions de réduction du CO2 (CO2RR). Les [NiFe]-CODH sont constituées d'un site actif complexe multi-métallique NiFe4S4, unique en biologie, et de centres FeS additionnels impliqués dans le transfert d’électrons du site actif enfoui au sein de la protéine jusqu’à la surface de la protéine. Au cours de la thèse, nous avons développé une nouvelle méthode t efficace pour surproduire la [NiFe]-CODH recombinante active de Rhodospirillum rubrum chez la bactérie Escherichia coli, largement utilisé en biotechnologie. Nous avons également développé l’immobilisation stable et favorable de l’enzyme sur des nanotubes de carbone (CNTs) fonctionnalisés de manière non covalente, intégrés dans un dispositif d'électrode de diffusion de gaz. Ce dispositif possède des performances comparables à celles des catalyseurs moléculaires et métalliques pour le CO2RR. Pour aller plus loin, la compréhension du transfert d'électrons intramoléculaire au sein de l'enzyme a été entreprise, afin d’optimiser sa capacité à travailler en transfert direct d'électrons vers l'électrode. D'autres optimisations sont envisagées, comme l'évolution dirigée de l'enzyme vers une meilleure résistance à l'O2. Dans l'ensemble, les résultats de ce travail ont ouvert une nouvelle voie pour étudier et utiliser ce puissant biocatalyseur dans un avenir proche pour des applications biotechnologiques.