Published 2010 | Version v1
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Cellobiose dehydrogenase - an electrifying enzyme: biochemical and electrochemical characterisation of cellobiose dehydrogenase for its application in biosensors and biofuel cells

Description

The flavocytochrome cellobiose dehydrogenase (CDH) was studied in respect to biochemical applications. The production, purification and characterisation of CDH from the lignolytic basidiomycete Ceriporiopsis subvermispora and the ascomycetes Myriococcum thermophilum, Chaetomium atrobrunneum, Corynascus thermophilus, Dichomera saubinetii, Hypoxylon haematostroma, Neurospora crassa and Stachybotrys bisbyi, which were identified during a screening of 42 ascomycete strains, is described. The molecular properties and steady-state kinetics of these CDHs and in case of M. thermophilum CDH also the separated flavin domain were investigated using IEF, SDS-PAGE and UV-Vis spectroscopy. In regard to their substrate specificity, pH profiles, interdomain electron transfer efficiencies, cellulose binding as well as their sequence, distinct differences were found depending on the origin of the CDH. The catalytic properties and the interdomain electron transfer of the ascomycete CDHs was determined on graphite and on thiol-modified gold electrodes using flow-injection amperometry, cyclic voltammetry and UV-Vis spectroelectrochemistry. Two membrane-less glucose/oxygen biofuels based on a D. saubinetii CDH-anode or a C. thermophilus CDH-anode were fabricated with a maximum power density of 5 μW cm-2 and 4 μW cm-2 , respectively. In presence of carbon nanotubes and Os-redoxpolymers the maximum power-density of M. thermophilum CDH and Phanerochaete sordida CDH anodes was raised up to 157 and 300 μW cm-2 , respectively. A combined bioanode based on glucose oxidising redox enzymes with a different regioselectivity like CDH and pyranose dehydrogenase was fabricated and characterized with an increased coulombic efficiency. These pioneered potential applications of CDH in bioelectrochemistry promise a bright future for this electrifying enzyme. (author)

Availability note (English)

Available from Library of the University of Natural Resources and Life Sciences, Gregor Mendel Strasse 33, 1180 Vienna (AT); Available from http://zidapp.boku.ac.at/abstracts/download.php?property_id=107&dataset_id=7861

Abstract (German)

Gegenstand dieser Dissertation ist Cellobiose Dehydrogenase (CDH), ein Flavocytochrome mit interessanten bioelektrochemischen Anwendungen. Die Produktion, Aufreinigung und Charakterisierung von CDH aus dem lignolytischen Basidiomyceten Ceriporiopsis subvermispora, den Ascomyceten Myriococcum thermophilum, Chaetomium atrobrunneum, Corynascus thermophilus, Dichomera saubinetii, Hypoxylon haematostroma, Neurospora crassa und Stachybotrys bisbyi, welche im Zuge eines Screenings entdeckt wurden, ist beschrieben. Die molekularen Eigenschaften sowie die Steady-state Kinetik der CDHs und im Fall von M. thermophilum CDH auch der Flavindomaene wurden mittels isoelektrischer Fokussierung, SDS-PAGE und UV-Vis Spektroskopie untersucht. Je nach Ursprung der CDH wurden eindeutige Unterschiede bezueglich der Substratspezifitaet, den pH-Profilen, der Effizienz des Interdomaenenelektrontransfers, der Bindungsweise zu Zellulose als auch der Proteinsequenz festgestellt. Durch Adsorption auf Graphit und auf Thiol-modifizierten Goldelektroden wurden die katalytischen Eigenschaften als auch der Interdomaenenelektrontransfer der jeweiligen CDH mittels Durchfluss Amperometrie, zyklischer Voltammetrie und UV-Vis Spektroelektrochemie bestimmt. Zwei membranlose Glukose/Sauerstoff Biobrennstoffzellen basierend auf einer D. saubinetii CDH und einer C. thermophilus CDH Anode wurden fabriziert und wiesen eine maximale Leistungsdichte von 5 μW cm-2 bzw. 4 μW cm-2 auf. Der Einsatz von Kohlenstoffnanoroehren und auf Osmium basierenden Redox-Polymeren konnte die maximale Leistungsdichte von M. thermophilum CDH- und Phanerochaete sordida CDH-Anoden auf 157 bzw. 300 μW cm-2 erhoehen. Die gemeinsame Anwendung von glukoseoxidierenden Redox-Enzymen mit unterschiedlicher Regioselektivitaet wie CDH und Pyranose Dehydrogenase in einer Bioanode resultierte in einer effizienteren Nutzung des Brennstoffes Glukose. Die gezeigten wegweisenden Anwendungen in der Bioelektrochemie versprechen eine verheissungsvolle Zukunft fuer dieses elektrisierende Enzym. (author)

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257 p.