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Das Enzym Superoxiddismutase (SOD) bietet wegen seiner hohen Reaktionsrate und seiner extrem hohen Substratspezifi tät große Vorteile für eine Anwendung als Superoxidbiosensor. In dieser Arbeit wurden durch molekularbiologische Methoden Mutanten der humanen Cu,Zn-SOD gewonnen, welche ein oder zwei zusätzliche Cystein-Reste enthielten, die eine einfache Immobilisierung des Proteins durch Bindung des Cystein-Schwefels auf Goldelektroden ermöglichten. Sechs solcher Mutanten wurden entworfen, exprimiert, aufgereinigt und elektrochemisch charakterisiert. Alle Mutanten konnten durch einen einfachen Inkubationsschritt auf Goldelektroden gebunden werden und zeigten ein quasi-reversibles elektrochemisches Ansprechen. Für eine Mutante wurde die Anwendung als Superoxidsensor genauer untersucht und für beide Teilreaktionen der Dismutation ein Ansprechen des Sensors auf das Radikal gefunden. Bei Verwendung einer Teilreaktion konnte die Empfindlichkeit herkömmlicher Monoschichtsensoren um etwa eine Größenordnung übertroffen werden.
Labelfreie Detektion von Protein-DNA-Interaktionen durch elektrochemische Impedanzspektroskopie
(2012)
Es wird ein impedimetrisches Sensorsystem für den Nachweis von Protein-DNA-Wechselwirkungen vorgestellt. Der Sensor nutzt kurze Thiol-markierte DNA (ssDNA), die über Chemisorption auf Goldchipelektroden immobilisiert wird. Aus den Impedanzspektren wurde der Durchtrittswiderstand (Rct) als Kenngröße für die zu untersuchenden Wechselwirkungen gewählt. In Anwesenheit des Redoxsystems Ferro-/Ferrycyanid konnte eine Zunahme des Durchtrittswiderstandes nach der Immobilisierung und anschließender Hybridisierung auf der Sensoroberfl äche registriert werden. Der Einsatz längerer Fänger-DNA (25- mer im Vergleich zu 18-mer) führte zu einer Abnahme der Konzentration an immobilisierten Fänger-Strängen, aber auch zu einer Vergrößerung der Durchtrittswiderstände sowohl für ssDNA als auch dsDNA. Bei ähnlichen Oberflächenkonzentrationen ließ sich eine annähernd gleiche Sensitivität des Hybridisierungsnachweises im Vergleich zu 18-mer Fänger-Strängen erzielen. Mit Hilfe des Elektrodensystems wurde die Nachweisbarkeit von Protein-DNA-Wechselwirkungen untersucht. Die Restriktion doppelsträngiger DNA durch die Restriktionsendonuklease BamHI konnte mit der Zyklovoltammetrie und markierungsfrei mit der Impedanzspektroskopie verfolgt werden. Des Weiteren wurde die sequenzspezifische Bindung des Transkriptionsfaktors NF-κB p50 an
Diese Studie beschäftigt sich mit der Untersuchung der Sauerstoffsensitivität von QD-Elektroden auf Basis von CdSe/ZnS-Nanopartikeln. Das Verhalten des sauerstoffabhängigen Photostroms wurde dabei in Abhängigkeit des pH-Wertes und des Potentials untersucht. Auf Grundlage dieser Sauerstoffabhängigkeit wurde die Enzymaktivität von GOD über Photostrommessungen evaluiert. Für die Konstruktion eines photobioelektrochemischen Sensors, der durch Beleuchtung der entsprechenden Elektrodenfläche ausgelesen werden kann, wurden Multischichten auf die CdSe/ZnS-modifizierten Elektroden aufgetragen. Die Layer-by-Layer Deposition von GOD mit Hilfe des Polyelektrolyten PAH zeigte, dass eine Sensorkonstruktion möglich ist. Die Sensoreigenschaften dieser Elektroden werden drastisch durch die Menge an immobilisiertem Enzym auf der Quantum Dot-Schicht beeinflusst. Durch die Präparation von vier Bilayern [GOD/PAH]4 an CdSe/ ZnS Elektroden kann ein schnell ansprechbarer Sensor für Konzentrationen zwischen 0.1 – 5 mM Glukose hergestellt werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Multianalytdetektion mit nichtstrukturierten Sensorelektroden, lokalisierten Enzymen und räumlich aufgelöster Auslesung durch Licht.
Entwicklung eines impedimetrischen Biosensors für den Nachweis von Antigliadin Autoantikörpern
(2007)
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Biosensor für den Nachweis von Antikörpern gegen Gliadin entwickelt. Gliadine sind Bestandteile der Getreideglutene und verantwortlich für die Manifestation der Zöliakie (Gluten-Unverträglichkeit). Der Biosensor basiert auf der Immobilisierung von Gliadin auf Goldelektroden, die zuvor mit Polystyrensulfonsäure beschichtet worden waren. Die erfolgreiche Immobilisierung wurde mit Hilfe der Quarzmikrowaage dokumentiert. Die Antigen-Antikörper-Bindung konnte durch die Inkubation mit einem Peroxidase-markierten Zweitantikörper und der enzymatischen Oxidation von 3-Amino-9- Ethylcarbazol (AEC) verstärkt werden. Die Zunahme in der Elektrodenisolierung durch die Bindungs- und Ablagerungsreaktion konnte durch elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) in Anwesenheit des Hexacyanoferrat- Redoxsystems gemessen werden. Die Spektren wurden mit Hilfe eines Randles-Ersatzschaltbildes ausgewertet. Hierbei konnte eine Zunahme im Ladungstransferwiderstand festgestellt werden, die pro portional zur Antigliadin-Antikörperkonzentration, im Bereich von 10-8 M bis 10-6 M, war. Mit Hilfe dieses Sensors wurden schließlich humane Seren hinsichtlich ihrer Konzentration an Gliadinantikörpern, sowohl für Immunglobuline vom Typ IgG als auch IgA, untersucht.
Im folgenden Artikel werden einfache DNA-Sensoren vorgestellt, mit deren Hilfe es durch voltammetrische und impedimetrische Messmethoden möglich ist, schnell, sensitiv und kostengünstig Einzelstrang-DNA (ssDNA) nachzuweisen. Beide Messprinzipien lassen neben der spezifischen Detektion auch die Quantifizierung von DNA-Sequenzen sowie den Nachweis von einzelnen Basenfehlpaarungen innerhalb dieser Sequenzen zu. Fänger- DNA wurde zu diesem Zweck mit dem 5’-Ende auf einer Goldoberfläche immobilisiert. Die Hybridisierung mit einem Methylenblau (MB) markierten oder unmarkierten Probenstrang konnte dann mit Hilfe der Differenzpulsvoltammetrie DPV oder der elektrochemischen Impedanzspektroskopie nachgewiesen werden. Die voltammetrische Quantifizierung erfolgte in einem direkten und kompetitiven Ansatz, mit einem Detektionslimit von 30 nM bzw. 3 nM (bei Einsatz von 0,1 μM Kompetitor- DNA). Das Detektionslimit beim impedimetrischen Nachweis lag bei 100 nM DNA. Die hier vorgestellten Sensoren sind zum einen regenerierbar und können zum anderen über einen Zeitraum von zwei Monaten gelagert werden.
Es wurde ein Elektrodensystem entwickelt, das aufbauend auf Halbleiternanopartikeln (so genannte Quantenpunkte) die sensitive Detektion des Enzymkofaktors NADH (nicotinamide adenine dinucleotide) erlaubt. Kolloidale halbleitende CdSe/ZnS-Nanokristalle sind durch ein Dithiol über Chemisorption an Gold gebunden. Das Stromsignal kann durch die Beleuchtung der Quantenpunkt modifizierten Oberfläche beeinflusst werden. Durch Photoanregung entstehen Elektron-Loch- Paare in den Nanopartikeln, die als anodischer oder kathodischer Photostrom detektiert werden können. Die Immobilisierung der Nanokristalle ist durch amperometrische Photostrom- und Quarzmikrowaage-Messungen (quartz crystal microbalance) verifiziert. Diese Studie zeigt, dass CdSe/ZnS-Quantenpunktmodifizierte Elektroden eine konzentrationsabhängige NADH-Detektion im Bereich von 20μM bis 2mM bei relativ niedrigem Potential (um 0V vs Ag/AgCl, 1 M KCl) ermöglichen. Somit können solche Elektroden in Kombination mit NADH-produzierenden Reaktionen für die lichtgesteuerte Analyse der entsprechenden Substrate des Biokatalysators genutzt werden. Es wird gezeigt, dass mit einem solchen Elektrodensystem und Photostrommessungen ein Glukosenachweis möglich ist.
Unter Verwendung von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren wurde in dieser Studie eine neuartige Anode zum Einsatz in Biobrennstoffzellen entwickelt. Dazu wurde das rekombinante Enzym Pyrrolochinolinchinon(PQQ)- abhängige Glucosedehydrogenase kovalent an eine aus PQQ bestehenden Zwischenschicht gekoppelt, welche zuvor an die Kohlenstoffnanoröhren adsorbiert war. Die Nanoröhren wurden aufgrund ihrer Thiolmodifikation chemisorptiv auf einer Goldelektrode gebunden. In glucosehaltiger Lösung konnte der Start eines katalytischen Stroms bei einem Potential von -80 mV vs. Ag/AgCl (1 MKCl) beobachtet werden. Unter Substratsättigung wurden Stromdichten im Bereich von 170 bis 200 μA/cm2 gemessen. Dieses System basiert auf einem mediatorvermittelten Elektronentransfer. Die entwickelte (PQQ)-GDH-MWCNT-Elektrode wurde mit einer MWCNT-modifizierten Elektrode kombiniert, bei der Bilirubinoxidase (BOD) als Biokatalysator fungiert. Daraus resultierte eine membranfreie Biobrennstoffzelle mit einem leichgewichtspotential von 600 mV und Leistungsdichten im Bereich von 20-25 μW/cm2.
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.
Several mutation positions have been chosen for introducing positively charged lysines in human cytochrome c (cyt c) with the aim of increasing the reaction rate with superoxide radicals (SO) and thus, the sensitivity of an electrochemical cyt c based SO biosensor. The impact of the mutations on structural and redox properties as well as on the reaction rate with SO are verified. Four mutants show a higher reaction rate with the radical compared to the wild type. These mutants are used for the construction of SO sensors based on thiol-modified gold electrodes and covalently fixed proteins. The E66K mutant electrode has a clearly higher sensitivity in comparison to the wildtype based sensor.
We report on a photobioelectrochemical fuel cell consisting of a glucose‐oxidase‐modified BiFeO3 photobiocathode and a quantum‐dot‐sensitized inverse opal TiO2 photobioanode linked to FAD glucose dehydrogenase via a redox polymer. Both photobioelectrodes are driven by enzymatic glucose conversion. Whereas the photobioanode can collect electrons from sugar oxidation at rather low potential, the photobiocathode shows reduction currents at rather high potential. The electrodes can be arranged in a sandwich‐like manner due to the semi‐transparent nature of BiFeO3, which also guarantees a simultaneous excitation of the photobioanode when illuminated via the cathode side. This tandem cell can generate electricity under illumination and in the presence of glucose and provides an exceptionally high OCV of about 1 V. The developed semi‐artificial system has significant implications for the integration of biocatalysts in photoactive entities for bioenergetic purposes, and it opens up a new path toward generation of electricity from sunlight and (bio)fuels.
The coupling of biological entities with electrodes has already quite some history and has reached a status which is not only based on phenomenological descriptions. Nowadays, we are able to effectively couple redox centres within protein molecules to electrochemical transducers. This allows the transduction of a biochemical reaction into an electrode signal with applications mainly in sensing and bioenergetics [1,2,3,4,5,6,7,8]. However, in most cases, this coupling is not direct, and shuttle molecules or side products of the reaction are used. But also for the direct coupling, significant progress has been made, and several enzymes and redox proteins can be addressed directly by electrodes [8,9,10,11,12,13]. The understanding of the functioning of developed systems is, however, in its infancy. Charge and electrostatic interactions have been mostly studied, and for small dipole molecules such as cytochrome c, the situation can be well described [14]. There is a lack of understanding for more complex enzyme molecules which brings a lot of trial and error into research.
The present study investigates basic features of a photoelectrochemical system based on CeO2 nanoparticles fixed on gold electrodes. Since photocurrent generation is limited to the absorption range of the CeO2 in the UV range, the combination with metal nanoparticles has been studied. It can be shown that the combination of silver nanoparticles with the CeO2 can shift the excitation range into the visible light wavelength range. Here a close contact between both components has been found to be essential and thus, hybrid CeO2@Ag nanoparticles have been prepared and analyzed. We have collected arguments that electron transfer occurs between both compositional elements of the hybrid nanoparticles.The photocurrent generation can be rationalized on the basis of an energy diagram underlying the necessity of surface plasmon excitation in the metal nanoparticles, which is also supported by wavelength-dependent photocurrent measurements. However, electrochemical reactions seem to occur at the CeO2 surface and consequently, the catalytic properties of this material can be exploited as exemplified with the photoelectrochemical reduction of hydrogen peroxide. It can be further demonstrated that the layer-by layer technique can be exploited to create a multilayer system on top of a gold electrode which allows the adjustment of the sensitivity of the photoelectrochemical system. Thus, with a 5-layer electrode with hybrid CeO2@Ag nanoparticles submicromolar hydrogen peroxide concentrations can be detected.
Trimeric photosystem I from the cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus (TePSI) is an intrinsic membrane protein, which converts solar energy into electrical energy by oxidizing the soluble redox mediator cytochrome c6 (Cyt c6) and reducing ferredoxin. Here, we use cryo-electron microscopy and small angle neutron scattering (SANS) to characterize the transient binding of Cyt c6 to TePSI. The structure of TePSI cross-linked to Cyt c6 was solved at a resolution of 2.9 Å and shows additional cofactors as well as side chain density for 84% of the peptide chain of subunit PsaK, revealing a hydrophobic, membrane intrinsic loop that enables binding of associated proteins. Due to the poor binding specificity, Cyt c6 could not be localized with certainty in our cryo-EM analysis. SANS measurements confirm that Cyt c6 does not bind to TePSI at protein concentrations comparable to those for cross-linking. However, SANS data indicate a complex formation between TePSI and the non-native mitochondrial cytochrome from horse heart (Cyt cHH). Our study pinpoints the difficulty of identifying very small binding partners (less than 5% of the overall size) in EM structures when binding affinities are poor. We relate our results to well resolved co-structures with known binding affinities and recommend confirmatory methods for complexes with KM values higher than 20 μM.
In dieser Studie präsentieren wir eine Enzymelektrode, bei der ein direkter Elektronentransfer (DET) zwischen der Pyrrolochinolinchinon-abhängigen Glukosedehydrogenase (PQQ)-GDH und einer Elektrode realisiert werden konnte. Hierfür wird eine Goldelektrode mit mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren [engl. multi-walled carbon nanotubes (MWCNT)] modifiziert, anschließend mit einem Copolymer aus Anilinderivaten überzogen und dann die (PQQ)-GDH (Acinetobacter calcoaceticus) kovalent immobilisiert. Die gepulste Polymersynthese wird hinsichtlich der Effektivität der bioelektrokatalytischen Umsetzung von Glukose optimiert. Die Glukoseoxidation startet bei einem Potential von -0,1 V vs. Ag/AgCl (1 M KCl) und Stromdichten von bis zu 500 μA/cm² (+0,1 V) können erreicht werden. Der Messbereich für Glukose liegt bei 0,1-5 mM (+0,1 V vs. Ag/AgCl). Der dynamische Bereich ist bei höherem Potential auf bis zu 100 mM (+0,4 V vs Ag/AgCl) erweitert. Die Elektrode wird als Anode in einer Biobrennstoffzelle (BBZ) mit einer Bilirubinoxidase-modifizierten MWCNT/Gold-Kathode eingesetzt. Beide Elektroden basieren auf einem DET. Das Zellpotential der BBZ beträgt 680 ±20 mV und sie erreicht eine maximale Leistungsdichte von 65 μW/cm² (bei einer Zellspannung von 350 mV).
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.
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.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) startete 1999 mit dem InnoRegio-Wettbewerb eine neuartige Förderinitiative unter der Leitidee „Innovative Impulse in den Neuen Ländern“. In zahlreichen Regionen wurden Aktivitäten in Gang gesetzt, um neue Formen der Zusammenarbeit von Menschen aus den unterschiedlichsten Bereichen zu entwickeln und damit die Wertschöpfung und Wettbewerbsfähigkeit in den ostdeutschen Regionen zu erhöhen. An dieser Ausschreibung nahmen in der Anfangsphase 444 Bewerberregionen teil. Nach der ersten Jury-Sitzung im Oktober 1999 wurden 50 InnoRegios ausgewählt, in einer Entwicklungsphase ihre Kernkompetenzen herauszufiltern und tragfähige Innovationskonzepte zu erarbeiten. Mit der zweiten Jury-Sitzung im Herbst 2000 fiel der Startschuss zur Umsetzungsphase. Zur Zeit werden vom BMBF 23 InnoRegios in den Neuen Ländern gefördert.
Bio-inorganic hybrid structures for direct electron transfer to photosystem I in photobioelectrodes
(2022)
Synthetic materials can be combined with biological components in many ways. One example that provides scientists with multiple challenges is a photobioelectrode that converts sunlight into electrons in a biohybrid approach. In the present study several key parameters are evaluated concerning their influence on the direct electron transfer from a 3D indium tin oxide (ITO) electrode material to photosystem I (PSI) as a light-harvesting biomolecule. In contrast to previous investigations, no mediating molecule is added to shuttle the electrons to the luminal side of PSI. Thus, this setup is less complex than foregoing ones. The solution composition drastically influences the interaction of PSI with the ITO surface. Here, the application of higher buffer concentrations and the addition of salts are advantageous, whereas the nature of the buffer ions plays a minor role. The artificial electrode material's thickness is adjustable since a spin-coating procedure is used for preparation. With a 30 μm thick structure and immobilized PSI cathodic photocurrents up to 10.1 μA cm−2 are obtained at 100 mW cm−2 illumination intensity and an applied potential of −0.1V vs. Ag/AgCl. Over a period of three days the photobioelectrodes are illuminated for a total of 90 min and stored between the measurements at ambient temperature. The stability of the setup is noteworthy as still about 90% of the photocurrent is retained. The photocathode described here offers many positive features, including a high onset potential for the photocurrent starting sligthly above the redox potentail of P700, and applicability in a wide pH range from pH 5 to 8.
An electrochemical sensor for p-aminophenyl phosphate (p APP) is reported. It is based on the electrochemical conversion of 4-aminophenol (4AP) at a quantum dot (QD) modified electrode under illumination. Without illumination no electron transfer and thus no oxidation of 4AP can occur. p APP as substrate is converted by the enzyme alkaline phosphatase (ALP) to generate 4AP as a product. The QDs are coupled via 1,4-benzenedithiol (BDT) linkage to the surface of a gold electrode and thus allow potential-controlled photocurrent generation. The photocurrent is modified by the enzyme reaction providing access to the substrate detection. In order to develop a photobioelectrochemical sensor the enzyme is immobilized on top of the photo-switchable layer of the QDs. Immobilization of ALP is required for the potential possibility of spatially resolved measurements. Geometries with immobilized ALP are compared versus having the ALP in solution. Data indicate that functional immobilization with layer-by-layer assembly is possible. Enzymatic activity of ALP and thus the photocurrent can be described by Michaelis- Menten kinetics. p APP is detected as proof of principle investigation within the range of 25 μM - 1 mM.
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.
Orthopoxvirus species like cowpox, vaccinia and monkeypox virus cause zoonotic infections in humans worldwide. Infections often occur in rural areas lacking proper diagnostic infrastructure as exemplified by monkeypox, which is endemic in Western and Central Africa. While PCR detection requires demanding equipment and is restricted to genome detection, the evidence of virus particles can complement or replace PCR. Therefore, an easily distributable and manageable antigen capture enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) for the detection of orthopoxviruses was developed to facilitate particle detection. By comparing the virus particle binding properties of polyclonal antibodies developed against surface-exposed attachment or fusion proteins, the surface protein A27 was found to be a well-bound, highly immunogenic and exposed target for antibodies aiming at virus particle detection. Subsequently, eight monoclonal anti-A27 antibodies were generated and characterized by peptide epitope mapping and surface plasmon resonance measurements. All antibodies were found to bind with high affinity to two epitopes at the heparin binding site of A27, toward either the N- or C-terminal of the crucial KKEP-segment of A27. Two antibodies recognizing different epitopes were implemented in an antigen capture ELISA. Validation showed robust detection of virus particles from 11 different orthopoxvirus isolates pathogenic to humans, with the exception of MVA, which is apathogenic to humans. Most orthopoxviruses could be detected reliably for viral loads above 1 × 103 PFU/mL. To our knowledge, this is the first solely monoclonal and therefore reproducible antibody-based antigen capture ELISA able to detect all human pathogenic orthopoxviruses including monkeypox virus, except variola virus which was not included. Therefore, the newly developed antibody-based assay represents important progress towards feasible particle detection of this important genus of viruses.
Electrospinning is known as a fabrication technique for electrode architectures that serve as immobilization matrices for biomolecules. The current work demonstrates a novel approach to construct a conductive polymeric platform, capable not only of immobilization, but also of electrical connection of the biomolecule with the electrode. It is produced upon electrospinning from mixtures of three different highly conductive sulfonated polyanilines and polyacrylonitrile on ITO electrodes. The resulting fiber mats are with a well-retained conductivity. After coupling the enzyme pyrroloquinoline quinone-dependent glucose dehydrogenase (PQQ-GDH) to polymeric structures and addition of the substrate glucose an efficient bioelectrocatalysis is demonstrated. Depending on the choice of the sulfonated polyanilline mediatorless bioelectrocatalysis starts at low potentials; no large overpotential is needed to drive the reaction. Thus, the electrospun conductive immobilization matrix acts here as a transducing element, representing a promising strategy to use 3D polymeric scaffolds as wiring agents for active enzymes. In addition, the mild and well reproducible fabrication process and the active role of the polymer film in withdrawing electrons from the reduced PQQ-GDH lead to a system with high stability. This could provide access to a larger group of enzymes for bioelectrochemical applications including biosensors and biofuel cells.
Es wurde ein dreidimensionales Polymerfasernetzwerk aufgebaut, charakterisiert und anschließend daran das Enzym Pyrrolochinolinchinon-abhängige Glukosedehydrogenase (PQQ)GDH gebunden. Das Polymerfasernetzwerk wurde durch Elektrospinnen einer Mischung des Polymers Polyacrylnitril und verschiedener leitfähiger Polymere der Polyanilin-Familie auf Indium-Zinn-Oxid-Elektroden aufgebracht. Die so hergestellten Fasermatten erwiesen sich bei mikroskopischen Untersuchungen gleichförmig präpariert und die Faserdurchmesser bewegten sich im Bereich weniger hundert Nanometer. Das Redoxpaar Kaliumhexacyanoferrat (II/III) zeigte an diesen Polymer-Elektrodenstrukturen eine quasi-reversible Elektrochemie. Bei weitergehenden Untersuchungen an den enzymmodifizierten Fasern ((PQQ)GDH) konnten unter Substratzugabe (Glukose) bioelektrokatalytische Ströme nachgewiesen werden. Das Fasernetzwerk fungiert hier nicht nur als Immobilisierungsmatrix, sondern als auch als Teil des Signalwandlers.
Abstract For the treatment of Parkinson's disease, as one of the most frequent diseases of the central nervous system, several key enzymes for dopamine metabolism [e. g. catechol-O-methyl transferase (COMT)] are drug targets. For an efficient and long-lasting treatment, the activity of this enzyme should be monitored. In this study, an electrochemical approach using differential pulse voltammetry (DPV) is introduced for the activity determination. The applied electrode material, fluorine-doped tin oxide (FTO), is characterized by a clear discrimination between substrate and product of COMT, a high stability of the dopamine signal during consecutive measurements, and a linear dependency on the dopamine concentration in the range of the maximum reaction rate of COMT. Despite these advantageous results, dopamine detection in the complete activity assay is influenced by each of the added essential assay components, even though none of the added components reveal a current signal at the FTO electrode itself. After adjusting the potential range and the assay composition, these effects can be circumvented. By following the dopamine concentrations during COMT action, it can be shown that the activity of COMT can be detected by using differential pulse voltammetry (DPV) at an FTO electrode and, by analyzing different COMT amounts, quantification can be demonstrated.
In this work, the fabrication and characterization of a simple, inexpensive, and effective microfluidic paper analytic device (µPAD) for monitoring DNA samples is reported. The glass microfiber-based chip has been fabricated by a new wax-based transfer-printing technique and an electrode printing process. It is capable of moving DNA effectively in a time-dependent fashion. The nucleic acid sample is not damaged by this process and is accumulated in front of the anode, but not directly on the electrode. Thus, further DNA processing is feasible. The system allows the DNA to be purified by separating it from other components in sample mixtures such as proteins. Furthermore, it is demonstrated that DNA can be moved through several layers of the glass fiber material. This proof of concept will provide the basis for the development of rapid test systems, e.g., for the detection of pathogens in water samples.
One restriction for biohybrid photovoltaics is the limited conversion of green light by most natural photoactive components. The present study aims to fill the green gap of photosystem I (PSI) with covalently linked fluorophores, ATTO 590 and ATTO 532. Photobiocathodes are prepared by combining a 20 μm thick 3D indium tin oxide (ITO) structure with these constructs to enhance the photocurrent density compared to setups based on native PSI. To this end, two electron transfer mechanisms, with and without a mediator, are studied to evaluate differences in the behavior of the constructs. Wavelength-dependent measurements confirm the influence of the additional fluorophores on the photocurrent. The performance is significantly increased for all modifications compared to native PSI when cytochrome c is present as a redox-mediator. The photocurrent almost doubles from −32.5 to up to −60.9 μA cm−2. For mediator-less photobiocathodes, interestingly, drastic differences appear between the constructs made with various dyes. While the turnover frequency (TOF) is doubled to 10 e−/PSI/s for PSI-ATTO590 on the 3D ITO compared to the reference specimen, the photocurrents are slightly smaller since the PSI-ATTO590 coverage is low. In contrast, the PSI-ATTO532 construct performs exceptionally well. The TOF increases to 31 e−/PSI/s, and a photocurrent of −47.0 μA cm−2 is obtained. This current is a factor of 6 better than the reference made with native PSI in direct electron transfer mode and sets a new record for mediator-free photobioelectrodes combining 3D electrode structures and light-converting biocomponents.
Photobioelectrodes represent one of the examples where artificial materials are combined with biological entities to undertake semi-artificial photosynthesis. Here, an approach is described that uses reduced graphene oxide (rGO) as an electrode material. This classical 2D material is used to construct a three-dimensional structure by a template-based approach combined with a simple spin-coating process during preparation. Inspired by this novel material and photosystem I (PSI), a biophotovoltaic electrode is being designed and investigated. Both direct electron transfer to PSI and mediated electron transfer via cytochrome c from horse heart as redox protein can be confirmed. Electrode preparation and protein immobilization have been optimized. The performance can be upscaled by adjusting the thickness of the 3D electrode using different numbers of spin-coating steps during preparation. Thus, photocurrents up to ∼14 μA/cm2 are measured for 12 spin-coated layers of rGO corresponding to a turnover frequency of 30 e– PSI–1 s–1 and external quantum efficiency (EQE) of 0.07% at a thickness of about 15 μm. Operational stability has been analyzed for several days. Particularly, the performance at low illumination intensities is very promising (1.39 μA/cm2 at 0.1 mW/cm2 and −0.15 V vs Ag/AgCl; EQE 6.8%).
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.
The Future of Layer-by-Layer Assembly: A Tribute to ACS Nano Associate Editor Helmuth Möhwald
(2019)
Layer-by-layer (LbL) assembly is a widely used tool for engineering materials and coatings. In this Perspective, dedicated to the memory of ACS Nano associate editor Prof. Dr. Helmuth Möhwald, we discuss the developments and applications that are to come in LbL assembly, focusing on coatings, bulk materials, membranes, nanocomposites, and delivery vehicles.
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.
Die Flavin-abhängige Fruktosedehydrogenase und Cytochrom c: Elektronentransfer und Sensorstrategien
(2017)
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.
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.
An oxygen reducing electrode made of bilirubin oxidase and multi-walled carbon nanotubes (BOD-MWCNT-Au electrode) is coupled to enzymes catalysing oxygen-consuming reactions such as glucose oxidase (GOD) to result in a membrane-free bienzyme electrode. The feasibility of such a molecularly assembled system stabilized by covalent linkage has been demonstrated. The electrochemical characterisation of the bienzyme electrode reveals sensitivity to the enzyme substrate. The results indicate that the BOD-electrode provides a suitable platform for sensing analytes for which oxidases of high activity are available.
Polymer-multiwalled carbon nanotube (MWCNT) nanohybrids, which differ in surface charge have been synthesized to study the bioelectrocatalysis of adsorbed cellobiose dehydrogenase (CDH) from Phanerochaete sordida on gold electrodes. To obtain negatively charged nanohybrids, poly(3-amino-4-methoxybenzoic acid-co-aniline) (P(AMB-A)) was covalently linked to the surface of MWCNTs while modification with p-phenylenediamine (PDA) converted the COOH-groups to positively charged amino groups. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) measurements verified the p-phenylenediamine (PDA) modification of the polymer-CNT nanohybrids. The positively charged nanohybrid MWCNT-P(AMB-A)-PDA promoted direct electron transfer (DET) of CDH to the electrode and bioelectrocatalysis of lactose was observed. Amperometric measurements gave an electrochemical response with KMapp = 8.89 mM and a current density of 410 nA/cm2 (15 mM lactose). The catalytic response was tested at pH 3.5 and 4.5. Interference by ascorbic acid was not observed. The study proves that DET between the MWCNT-P(AMB-A)-PDA nanohybrids and CDH is efficient and allows the sensorial detection of lactose.
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.
G-quadruplex is a DNA secondary structure that has been shown to play an important role in biological systems. In a previous study, we identified 1998 G-quadruplex-forming sequences using a mouse CpG islands DNA microarray with a fluorescent-labeled G-quadruplex ligand. Among these putative G-quadruplex-forming sequences, G-quadruplex formation was verified for 10 randomly selected sequences by CD spectroscopy and DMS footprinting analysis. In this study, the biological function of the 10 G-quadruplex-forming sequences in the transcriptional regulation has been analyzed using a reporter assay.
In the field of neuroscience as well as in the clinical setting, the neurotransmitter dopamine (DA) is an analyte which is important for research as well as medical purposes. There are plenty of methods available to measure dopamine quantitatively, with voltammetric ones such as differential pulse voltammetry (DPV) being among the most convenient and simple ones. However, dopamine often occurs, either naturally or because of the requirements of involved enzymatic systems, alongside substances that can influence the signal it produces upon electrochemical conversion. An example for such substances is the magnesium ion, which itself is not electrochemically active in the potential range needed for DA oxidation, but influences the dopamine signal. We have characterized the properties of DPV signals subject to the interaction between DA and Mg2+ and show that, although these properties are changing in a nonlinear fashion when both concentrations are varying, relatively simple linear mathematical models can be used to determine dopamine concentrations quantitatively in the presence of magnesium ions. The focus of this study is thus, the mathematical treatment of experimental data in order to overcome an analytical problem and not the investigation of the chemical background of DA-Mg2+ interaction.