TY - GEN A1 - Sarauli, David A1 - Xu, Chenggang A1 - Dietzel, Birgit A1 - Schulz, Burkhard A1 - Lisdat, Fred T1 - Effekt unterschiedlich substituierter sulfonierter Polyaniline auf den Elektronentransfer mit pyrrolochinolinchinonabhängiger Glukosehydrogenase T2 - Wissenschaftliche Beiträge 2014 N2 - Sulfonierte Polyaniline erwiesen sich bereits als geeignete Polymere für den Aufbau von Biosensoren. Aus diesem Grund setzten wir unterschiedlich substituierte Polymerformen für die Untersuchungen der direkten Elektronenübertragung zum Redoxenzym PQQ-GDH (Pyrrolochinolinchinon-abhängige Glukosedehydrogenase) ein. Dafür wurden zuerst neue Copolymere synthetisiert. Als Basis für die Synthesen wurden 2-Methoxyanilin-5-Sulfonsäure (MAS), 3-Aminobenzensulfonsäure (ABS), 3-Aminobenzoesäure (AB) und Anilin (AN) ausgewählt und deren Verhältnisse variiert. Alle Copolymere wurden hinsichtlich der direkten Reaktion mit PQQ-GDH untersucht. Diese Wechselwirkung wurde zunächst in Lösung, anschließend auch auf Elektroden beobachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass nur die aus MAS- und AN-Einheiten bestehenden Copolymere in der Lage sind, mit dem Enzym in Lösung direkt zu interagieren, was wahrscheinlich dem Emeraldin Salz (ES) Redoxzustand des Polymers zuzuschreiben ist. Immobilisiert man die Polymere und das Enzym auf Kohlenstoffnanoröhrenbasierten Elektroden, generiert man direkte Bioelektrokatalyse auch im Falle der aus ABS/AB- und MAS/AB-Einheiten bestehenden Copolymere, die sich nach der Synthese im Pernigranilin Base (PB) Redoxzustand befinden. Im Gegensatz zur Situation in Lösung kann auf Elektroden das Potential zusätzlich genutzt werden, um Elektronen vom Enzym auf das Polymer zu übertragen. Solche Polymerbasierten Enzymelektroden besitzen Anwendungspotential in der Sensorik, aber auch in Biobrennstoffzellen. Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:526-opus4-3285 SN - 0949-8214 VL - 18 SP - 7 EP - 15 ER - TY - JOUR A1 - Feifel, Sven Christian A1 - Stieger, Kai Ralf A1 - Kapp, Andreas A1 - Weber, Dennis A1 - Allegrozzi, Marco A1 - Piccioli, Mario A1 - Turano, Paola A1 - Lisdat, Fred T1 - Insights into Interprotein Electron Transfer of Human Cytochrome c Variants Arranged in Multilayer Architectures by Means of an Artificial Silica Nanoparticle Matrix JF - ACS Omega N2 - The redox behavior of proteins plays a crucial part in the design of bioelectronic systems. We have demonstrated several functional systems exploiting the electron exchange properties of the redox protein cytochrome c (cyt c) in combination with enzymes and photoactive proteins. The operation is based on an effective reaction at modified electrodes but also to a large extent on the capability of self-exchange between cyt c molecules in a surface-fixed state. In this context, different variants of human cyt c have been examined here with respect to an altered heterogeneous electron transfer (ET) rate in a monolayer on electrodes as well as an enhanced self-exchange rate while being incorporated in multilayer architectures. For this purpose, mutants of the wild-type (WT) protein have been prepared to change the chemical nature of the surface contact area near the heme edge. The structural integrity of the variants has been verified by NMR and UV–vis measurements. It is shown that the single-point mutations can significantly influence the heterogeneous ET rate at thiol-modified gold electrodes and that electroactive protein/silica nanoparticle multilayers can be constructed with all forms of human cyt c prepared. The kinetic behavior of electron exchange for the mutant proteins in comparison with that of the WT has been found altered in some multilayer arrangements. Higher self-exchange rates have been found for K79A. The results demonstrate that the position of the introduced change in the charge situation of cyt c has a profound influence on the exchange behavior. In addition, the behavior of the cyt c variants in assembled multilayers is found to be rather similar to the situation of cyt c self-exchange in solution verified by NMR. Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:526-opus4-6753 SN - 2470-1343 VL - 1 IS - 6 SP - 1058 EP - 1066 ER - TY - GEN A1 - Stieger, Kai Ralf A1 - Feifel, Sven Christian A1 - Lokstein, Heiko A1 - Hejazi, Mahdi A1 - Zouni, Athina A1 - Lisdat, Fred T1 - Biohybride Architekturen für eine effiziente Umwandlung von Licht in elektrische Energie durch Integration von Photosystem I in skalierbare mesoporöse 3D Elektroden T2 - Wissenschaftliche Beiträge 2018 N2 - Die Kombination von fortschrittlichen Materialien und kontrolliertem Oberflächendesign mit komplexen Proteinen aus der natürlichen Photosynthese ist derzeit eines der Hauptthemen bei der Entwicklung von Biohybridsystemen und Biophotovoltaik. In dieser Studie werden transparente makroporöse Indium-Zinn-Oxid-(μITO-) Elektroden mit dem trimeren Superkomplex Photosystem I (PSI) aus dem Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus sowie dem kleinen Redoxprotein Cytochrom c (Cyt c) kombiniert, um neuartige und effiziente biohybride Photokathoden herzustellen. Mit diesen bis zu 40 μm hohen 3D-Strukturen können beide Proteine in einer annähernden Monolage abgeschieden werden und die elektrische Kommunikation mit der Elektrode kann erzielt werden. Der generierte Photostrom folgt dabei linear der kontrollierbaren Schichtdicke der μITO-Elektrode, wobei Stromdichten von bis zu 150 μA cm –2 erhalten werden. Eine effiziente elektrische Kopplung der Proteine kann durch die hohe interne Quanteneffizienz von 30 % gezeigt werden. N2 - The combination of advanced materials and a controlled surface design with complex proteins from natural photosynthesis is currently one of the major topics in the development of biohybrid systems and biophotovoltaic devices. In this study, transparent macroporous indium tin oxide (μITO) electrodes are combined with the trimeric supercomplex, Photosystem I (PSI) from the cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus, and the small redox protein cytochrome c (cyt c) to create novel and efficient biohybrid photocathodes. With these 3D structures up to 40 μm in size, both proteins can be deposited in a monolayer fashion and electrical communication with the electrode can be established. The generated photocurrent linearly follows the controllable layer thickness of the μITO electrode up to 40 μm, whereby current densities of up to 150 μA cm –2 are obtained. An efficient electrical coupling of the proteins can be demonstrated by the high internal quantum efficiency of 30 %. Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:526-opus4-10220 SN - 0949-8214 VL - 22 SP - 17 EP - 24 ER - TY - JOUR A1 - Feifel, Sven Christian A1 - Lisdat, Fred T1 - Silica nanoparticles for the layer-by-layer assembly of fully electro-active cytochrome c multilayers JF - Journal of Nanobiotechnology N2 - For bioanalytical systems sensitivity and biomolecule activity are critical issues. The immobilization of proteins into multilayer systems by the layer-by-layer deposition has become one of the favorite methods with this respect. Moreover, the combination of nanoparticles with biomolecules on electrodes is a matter of particular interest since several examples with high activities and direct electron transfer have been found. Our study describes the investigation on silica nanoparticles and the redox protein cytochrome c for the construction of electro-active multilayer architectures, and the electron transfer within such systems. The novelty of this work is the construction of such artificial architectures with a non-conducting building block. Furthermore a detailed study of the size influence of silica nanoparticles is performed with regard to formation and electrochemical behavior of these systems. Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:526-opus4-5819 SN - 1477-3155 VL - 9 IS - 59 ER - TY - CHAP A1 - Riedel, Marc A1 - Göbel, Gero A1 - Parak, Wolfgang J. A1 - Lisdat, Fred T1 - Light-addressable amperometric electrodes for enzyme sensors based on direct quantum dot-electrode contacts N2 - Quantum dots allow the generation of charge carriers upon illumination. When these particles are attached to an electrode a photocurrent can be generated. This allows their use as a light-switchable layer on the surface. The QDs can not only exchange electronics with the electrode, but can also interact with donor or acceptor compounds in solution providing access to the construction of signal chains starting from an analytic molecule. The magnitude and the direction of the photocurrent depend on several factors such as electrode polarization, solution pH and composition. These defined dependencies have been evaluated with respect to the combination of QD-electrodes with enzyme reactions for sensorial purpose. CdSe/ZnS-QD-modified electrodes can be used to follow enzymatic reactions in solution based on the oxygen sensitivity. In order to develop a photoelectrochemical biosensor, e.g. glucose oxidase is immobilized on the CdSe/ZnS-electrode. One immobilization strategy applies the layer-by-layer-technique of GOD and a polyelectrolyte. Photocurrent measurements of such a sensor show a clear concentration dependent behavior. The principle of combing QD oxidase. The sensitivity of quantum dot electrodes can be influenced by additional nanoparticles, but also by multiple layers of the QDs. In another direction of research it can be influenced by additional nanoparticles, but also by multiple layers of the QDs. In another direction of research it can be demonstrated that direct electron transfer from excited quantum dots can be achieved with the redox protein cytochrome c. This allows the detection of the protein, but also interaction partners such as a enzymes or superoxide. KW - quantum dot electrode KW - enzyme sensor KW - signal chain KW - photobioelectrochemistry KW - light adressability Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:526-opus4-15266 SP - 195 EP - 200 PB - Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) ER - TY - JOUR A1 - Kölsch, Adrian A1 - Hejazi, Mahdi A1 - Stieger, Kai Ralf A1 - Feifel, Sven Christian A1 - Kern, Jan F. A1 - Müh, Frank A1 - Lisdat, Fred A1 - Lokstein, Heiko A1 - Zouni, Athina T1 - Insights into the binding behavior of native and non-native cytochromes to photosystem I from Thermosynechococcus elongatus JF - Journal of Biological Chemistry N2 - The binding of photosystem I (PS I) from Thermosynechococcus elongatus to the native cytochrome (cyt) c6 and cyt c from horse heart (cyt cHH) was analyzed by oxygen consumption measurements, isothermal titration calorimetry (ITC), and rigid body docking combined with electrostatic computations of binding energies. Although PS I has a higher affinity for cyt cHH than for cyt c6, the influence of ionic strength and pH on binding is different in the two cases. ITC and theoretical computations revealed the existence of unspecific binding sites for cyt cHH besides one specific binding site close to P700. Binding to PS I was found to be the same for reduced and oxidized cyt cHH. Based on this information, suitable conditions for cocrystallization of cyt cHH with PS I were found, resulting in crystals with a PS I:cyt cHH ratio of 1:1. A crystal structure at 3.4-Å resolution was obtained, but cyt cHH cannot be identified in the electron density map because of unspecific binding sites and/or high flexibility at the specific binding site. Modeling the binding of cyt c6 to PS I revealed a specific binding site where the distance and orientation of cyt c6 relative to P700 are comparable with cyt c2 from purple bacteria relative to P870. This work provides new insights into the binding modes of different cytochromes to PS I, thus facilitating steps toward solving the PS I–cyt c costructure and a more detailed understanding of natural electron transport processes. Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:526-opus4-12780 SN - 1083-351X VL - 293 IS - 23 SP - 9090 EP - 9100 ER - TY - GEN A1 - Wettstein, Christoph A1 - Kano, Kenji A1 - Schäfer, Daniel A1 - Wollenberger, Ulla A1 - Lisdat, Fred T1 - Die Flavin-abhängige Fruktosedehydrogenase und Cytochrom c: Elektronentransfer und Sensorstrategien T2 - Wissenschaftliche Beiträge 2017 N2 - Die hier durchgeführten Untersuchungen ermöglichen ein besseres Verständnis der Elektronentransferprozesse zwischen der Flavin-abhängigen Fruktosedehydrogenase (FDH) und dem Redoxprotein Cytochrom c (Cyt c). Dies liefert im Hinblick auf sensorische Anwendungen wichtige Erkenntnisse für vorteilhafte Sensorarchitekturen und deren Messbedingungen. Es wurden zwei unterschiedliche pH-Optima für die Redoxreaktion der beiden Proteine untereinander entdeckt. Die Reaktion wurde im Weiteren mit Elektroden kombiniert und so eine Fruktose-abhängige Stromantwort detektiert. Darüber hinaus konnten definierte dreidimensionale Sensorarchitekturen der beiden Proteine, mit Hilfe von DNA als zusätzlichen biologischen Baustein erzeugt und für die Sensorik genutzt werden. N2 - With regard to sensor application, flavin-dependent fructose dehydrogenase (FDH) and the redox protein cytochrome c (cyt c) were examined for a better understanding of electron transfer (ET) pathways. First, two different pH optima could be determined for the reaction of both proteins. A fructose-dependent signal can be achieved on a cyt c electrode with adsorbed FDH as well as with the enzyme in solution. Furthermore, fructose sensors could be produced using a defined arrangement of cyt c and FDH by the layer-by-layer technique with DNA as a second building block. Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:526-opus4-9379 SN - 0949-8214 VL - 21 SP - 13 EP - 21 ER - TY - GEN A1 - Riedel, Marc A1 - Schäfer, Daniel A1 - Parak, Wolfgang J. A1 - Ruff, Adrian A1 - Schuhmann, Wolfgang A1 - Lisdat, Fred T1 - Quantum Dot-modifizierte TiO2-Strukturen für die Licht-gesteuerte Bioelektrokatalyse T2 - Wissenschaftliche Beiträge 2019 N2 - Die funktionale Kopplung von photoaktiven Nanostrukturen mit Enzymen stellt eine neue Strategie zum Aufbau lichtgesteuerter biohybrider Systeme dar. Hier sind Untersuchungen zusammengefasst, welche die effiziente Kontaktierung der FAD-abhängigen Glukosedehydrogenase (FAD-GDH) mit Hilfe eines Osmium-Redoxpolymers (P Os ) an PbS-Quantum Dots (PbS QDs) zeigen, welche direkt auf dreidimensionalen TiO 2 -Elektrodenstrukturen synthetisiert wurden. Diese biohybriden Strukturen erlauben die Licht-induzierte Oxidation von Glukose. Dazu wird zunächst ein Verfahren vorgestellt, bei welchem durch den Aufbau invers-opaler TiO 2 (IO-TiO 2 ) Strukturen hohe Bindungskapazitäten für die Integration von QDs, Redoxpolymer und Enzym erreicht werden. In Folge wird gezeigt wie elektrochemische Signalketten durch Licht gesteuert werden können, indem Ladungsträger in den QDs unter Beleuchtung erzeugt werden. Diese Aktivierung ermöglicht dann die Ausbildung einer Elektrontransferkaskade vom Enzym über das Redoxpolymer zu den QDs und final zur IO-TiO 2 -Elektrode. Die resultierenden anodischen Photoströme können durch das Potential, die Lichtintensität und die Glukosekonzentration moduliert werden. So können in Anwesenheit von Glukose Photoströme von bis zu 207 μA/cm2 und erste Oxidationssignale bereits bei einem Potential von -540 mV vs Ag/AgCl, 1 M KCl erhalten werden. Dies entspricht einem Potentialgewinn von über 500 mV im Vergleich zu nicht lichtsensitiven Elektroden. Das vorgestellte biohybride System kombiniert Vorteile einer großen Oberfläche (durch IO-TiO 2 -Struktur), die effiziente Ladungsträgergenerierung und -trennung an der QD/TiO 2 -Schnittstelle sowie die effiziente Kontaktierung von FAD-GDH mit den QDs mit Hilfe eines Redoxpolymers. Die Ergebnisse verdeutlichen das Potential dieser leistungsfähigen Photobioanode für die Sensorik und die Erzeugung von Energie aus Licht und Glukose. N2 - The combination of photoactive nanostructures with enzymes represents a new strategy for the construction of light-directed biohybrid systems. The study demonstrates the efficient linkage of FAD-dependent glucose dehydrogenase (FAD-GDH) to PbS quantum dot (QD)-sensitized inverse opal TiO 2 (IO-TiO 2 ) electrodes using an osmium redox polymer (P Os ). How these biohybrid structures can oxidize glucose in a light-directed fashion is highlighted in detail. For this purpose, firstly a method for the construction of IO-TiO 2 electrodes is presented, which gives rise to high binding capacities for the integration of QDs, redox polymer and enzyme. It can be shown how electrochemical signal chains can be controlled with light, resulting in a generation of charge carriers within the QDs. The activation of the electron transfer cascade then allows for an electron transfer from the enzyme via the redox polymer to the QDs and finally to the IO-TiO 2 electrode. The resulting anodic photocurrents can be modulated by potential, light intensity and glucose concentration. In the presence of glucose, photocurrents of up to 207 μA/cm 2 can be generated and first electron withdrawal from the biocatalytic sugar oxidation already proceeds at a potential of -540 mV vs Ag/AgCl (1 M KCl). This corresponds to a potential gain of over 500 mV compared to light-insensitive electrodes. The proposed biohybrid system combines the advantages of a large surface area (IO-TiO 2 ), efficient charge carrier generation (PbS QDs) and separation at the TiO 2 /QDs interface and the efficient linkage of FAD-GDH to the QDs using a redox polymer. This illustrates the potential of this powerful photobioanode for sensing and power supply. Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:526-opus4-10773 SN - 0949-8214 VL - 23 SP - 11 EP - 17 ER - TY - GEN A1 - Riedel, Marc A1 - Kartchemnik, Julia A1 - Schöning, Michael J. A1 - Lisdat, Fred T1 - Impedimetrischer DNA Nachweis - Schritte in Richtung sensorischer Anwendung T2 - Wissenschaftliche Beiträge 2015 N2 - Diese Studie beschreibt einen labelfreien impedimetrischen Sensor auf der Grundlage von kurzen einzelsträngigen DNA-Erkennungselementen für den Nachweis von Hybridisierungsereignissen. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Aufklärung des Einflusses der Ziel-DNA-Länge und der Erkennungssequenzposition auf die sensorische Leistungsfähigkeit. Die impedimetrischen Messungen werden in Anwesenheit des Redoxsystems Kaliumhexacyanoferrat (II/III) durchgeführt und zeigen einen Anstieg des Durchtrittswiderstandes nach der Hybridisierung mit komplementärer Ziel-DNA mit einer Nachweisgrenze im unteren nanomolaren Bereich. Nach der Hybridisierung kann die Regeneration des Sensors mit deionisiertem Wasser durch die Einstellung effektiver Konvektionsbedingungen erreicht werden und ermöglicht somit eine Wiederverwendbarkeit des Sensors. Untersuchungen zu längeren Ziel-DNA-Strängen mit einem zur Lösung exponierten Überhang demonstrieren die Anwendbarkeit des impedimetrischen Nachweises für längere Sequenzen. Allerdings resultiert eine zunehmende Überhanglänge in einer verringerten Durchtrittswiderstandsänderung. Um die Impedanzänderung für längere Ziel-DNA zu erhöhen, wird die Erkennungssequenzposition verändert, sodass ein kleiner Überhang zur Elektrode ausgerichtet ist. Die Ergebnisse legen nahe, dass DNA in direkter Nähe zur Elektrode einen größeren Einfluss auf das impedimetrische Signal besitzt als weiter entfernte DNA. N2 - This study describes a label-free impedimetric sensor based on short ssDNA recognition elements for the detection of hybridisation events. We concentrate on the elucidation of the influence of target length and recognition sequence position on the sensorial performance. The impedimetric measurements are performed in the presence of the redox system ferri-/ferrocyanide and show an increase in charge transfer resistance upon hybridisation of complementary ssDNA in the nanomolar range. After hybridisation, a sensor regeneration can be achieved with deionised water by adjustment of effective convection conditions, ensuring sensor reusability. By investigation of longer targets with overhangs exposed to the solution, we can demonstrate applicability of the impedimetric detection for longer ssDNA. However, a decreasing charge transfer resistance change (ΔRct) is found by extending the overhang. As a strategy to increase the impedance change for longer target strands, the position of the recognition sequence can be designed in a way that a small overhang is exposed to the electrode surface. These results suggest that DNA near the electrode possesses a larger impact on the impedimetric signal than DNA further away. Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:526-opus4-3538 SN - 0949-8214 VL - 19 SP - 21 EP - 28 ER -