Verbesserung der Pyranose Oxidase für Brennstoffzellen

Biologische Brennstoffzellen sind sowohl wissenschaftlich als auch kommerziell von grossem Interesse, vor allem als mögliche Alternativen zu herkömmlichen Brennstoffzellen. Biokatalysatoren oder Enzyme entwickelten sich im Laufe der Evolution, so dass sie in einem komplexem Milieu optimal funktionieren und gewünschte Reaktionen effektiv und selektiv unter physiologischen Temperaturen und pH-Werten katalysieren. Diese Eigenschaft macht biologische Brennstoffzellen auf Basis von Enzymen besonders interessant für bestimmte Anwendungen, etwa als implantierbare Energiequelle, die eine Reihe unterschiedlichster medizinischer Implantate (etwa Herzschrittmacher) mit Energie versorgen können. Weiters können biologische Brennstoffzellen als Energiequelle für abgelegene, von der Umwelt abgeschnittene elektronische Geräte auf Basis nachwachsender Rohstoffe dienen, etwa Sensoren für die Überwachung der Luftqualität, des Wetters, etc. Da alle diese Anwendungen auf einen möglichst langen Zeitraum ausgerichtet sind, ist die Stabilität von Brennstoffzellen von besonderer Bedeutung. Weiters ist eine breite Substratspezifität der eingesetzten Enzyme wünschenswert, da dadurch unterschiedlichste Substrate (meist Zucker) als Energiequelle verwendet werden können. Das Enzym Pyranose-Oxidase (P2Ox) besitzt eine Reihe von Vorteilen gegenüber der Glucose-Oxidase, die zur Zeit vorwiegend für die Konstruktion von biologischen Brennstoffzellen untersucht wird. Diese Vorteile umfassen z.B. die viel breitere Substratspezifität, die günstigeren kinetischen Konstanten für Glucose, die Aktivität mit beiden Anomeren der Glucose, etc. Um biologische Brennstoffzellen wirtschaftlich interessant zu machen muss das Enzym P2Ox jedoch noch weiter verbessert werden, etwa in Bezug auf Stabilität oder Reaktivität. In diesem Projekt werden Methoden des `protein engineerings`, sowohl rationelles Design als auch gerichtete Evolution, eingesetzt, um die P2Ox aus dem Pilz Trametes multicolor für einen Einsatz in Brennstoffzellen maßzuschneidern. Diese Kombination unterschiedlicher Methoden hat sich als die wirkungsvollste herausgestellt, um Enzyme für gewünschte Anwendungen zu optimieren und wir erwarten uns durch diesen Ansatz erhebliche Verbesserungen im Hinblick auf Stabilität, Reaktivität, Substratspezifität, etc. Das Screening nach verbesserten Enzymvarianten wird mittels herkömmlicher Methoden (Farbreaktionen in Mikrotiterplatten) durchgeführt, es wird aber auch das cell display angewandt, bei dem die Enzymvarianten direkt auf der Zelloberfläche synthetisiert und immobilisiert werden, was das Screening stark vereinfacht. Basierend auf diesen Screeningtests werden ausgewählte Enzymvarianten im Detail charakterisiert, etwa im Hinblick auf Stabilität und kinetische Konstanten. Diese Charakterisierung beinhaltet aber auch strukturbiologische Aspekte, wodurch wertvolle Informationen über die Struktur-Funktions-Beziehungen der P2Ox erhalten werden, etwa in Bezug auf die Wechselwirkung Substrat - aktives Zentrum, die Dimerisierung des Enzyms oder über die Funktion des Substratkanals. Abschliessend werden ausgewählte Enzymvarianten auf ihre Eignung in Biosensoren und Biobrennstoffzellen untersucht.