Pyranose Dehydrogenase für Bio-Brennstoffzellen
Abstract
Evolution und Modifikation von Pyranose Dehydrogenase für die Anwendung in Brennstoffzellen Enzymatische Bio-Brennstoffzellen wandeln mittels enzymatischer Katalyse chemische in elektrische Energie um. Miniaturisierte enzymatische Bio-Brennstoffzellen sind eine vielversprechende Energiequelle für implantierbare medizinische Geräte wie Herzschrittmacher oder Hörgeräte, sowie für die Energieversorgung elektronischer Geräte an isolierten Standorten aus natürlichen Brennstoffen. In enzymatischen Bio-Brennstoffzellen werden geeignete Redox-Enzyme mittels redox-aktiver Substanzen (Mediatoren) wie Osmium-Redox-Polymere an Elektroden gekoppelt. Glukose Oxidase wird meist als Modellenzym verwendet. Eine Reihe von alternativen Oxidoreduktasen bieten jedoch entscheidende Vorteile gegenüber Glukose Oxidase. Eines dieser Enzyme ist Pyranose Dehydrogenase (PDH), eine Flavin-abhängige Oxidoreduktase aus Agaricaceen. PDH kann Elektronen nicht an Sauerstoff übertragen und ist in der Lage, eine breite Palette an Monosacchariden, Oligosaccharides und Glykosiden zu oxidieren. PDH oxidiert Glukose und andere Zucker an mehr als einem C-Atom, wodurch die Elektronen-Ausbeute pro Substratmolekül und damit die coulombische Effizienz gesteigert wird. Die Eignung von PDH für Bio-Brennstoffzellen wurde bereits gezeigt. Wir wollen bestimmte, für solche Anwendungen relevante, Eigenschaften der PDH, durch zufallsgesteuerte sowie semi-rationale Strategien verbessern. Eine Mutanten-Expressions-Bank soll durch Fehlerhafte PCR sowie künstliche DNA-Rekombination hergestellt und im Mikrotiterplatten-Format nach Varianten mit verbesserter katalytischer Effizienz, erhöhter Stabilität, erhöhter Aktivität bei tiefen Temperaturen, sowie erhöhter Aktivität mit primären Oxidationsprodukten von PDH und anderen Enzymen wie Glukonsäure, 2-Keto-Glukose und 2-Keto- Glukonsäure, durchsucht werden. Verbesserte Enzymvarianten sollen besonders im Hinblick auf kinetische Werte mit verschiedenen Elektronen-Akzeptoren wie Cycloruthenate oder komplexiertes Os3+. Weiters beabsichtigen wir, verbesserte Enzymvarianten durch semi-rationale Protein-Modifikation herzustellen. Sobald eine dreidimensionale Struktur von PDH verfügbar ist werden Aminosäurereste um das aktive Zentrum identifiziert, mittels Sättigungs-Mutagenese gegen alle anderen Aminosäuren ausgetauscht, und die resultierenden Mutantenbanken auf Verbesserung obiger Enzymeigenschaften durchsucht. Weiters werden Aminosäuren mit relativ hoher räumlicher Flexibiltät durch Sättigungs-Mutagenese ausgetauscht, und die resultierenden Enzymvarianten auf erhöhte Thermostabilität durch “starrere” Aminosäuren untersucht. Verbesserte Enzymvarianten werden gemeinsam mit Redox-Polymeren mit unterschiedlichem Redox-Potential elektrochemisch charakterisiert, und Prototypen von Bio-Brennstoffzellen aus einer PDH-Anode und einer geeigneten Kathode werden hergestellt und getestet werden.
Pyranose Dehydrogenase Bio-Brennstoffzellen Enzymevolution Enzymtechnologie
Publikationen
Agaricus bisporus pyranose dehydrogenase - recombinant expression in Pichia pastoris and characterization
Autoren: Gonaus, C., Peterbauer, C.K., Haltrich, D. Jahr: 2012
PUBLIZIERTER Beitrag für wissenschaftliche Veranstaltung
Mitarbeiter*innen
Clemens Karl Peterbauer
Assoc. Prof. Dr. Clemens Karl Peterbauer
clemens.peterbauer@boku.ac.at
Tel: +43 1 47654-75212
BOKU Projektleiter*in
01.05.2011 - 30.04.2014
BOKU Partner
Externe Partner
Royal Institute of Technology, Department of Biochemistry and Biotechnology
Christina Divne
Partner
University Lund, Department of Biotechnology, Centre for Chemistry and Chemical Engineering
Lo Gorton
Partner