Nanobiocatalysts for biofuel cells and biosensor systems

Abstract

This overview summarizes the application of enzymes in the manufacture and design of biofuel cells and biosensors. The emphasis will be put on the protein engineering techniques used for improving the properties of enzymes such as nanobiocatalysts, e.g. immobilization orientation, stability, activity and efficiency of electron transfer between immobilized enzymes and electrodes. Some possible applications in the military and some future designs of these electric devices will be discussed as well.

U ovom preglednom članku je sumirana primena enzima u proizvodnji i dizajnu biogorivnih ćelija i biosenzora. Naglasak u pregledu literature je stavljen na tehnike proteinskog inžinjeringa, koje se koriste za poboljšanje osobina enzima u nanobiokatalizatorima kao što su orijentacija kod imobilizacije, stabilnost, aktivnost i efikasnost transfera elektrona između imobilizovanog enzima i elektrode. Na kraju pregleda je dato nekoliko primera moguće primene u vojsci. Nanobiokatalizatori su biokatalizatori u obliku enzima ili ćelija imobilizovani na nanomaterijalima. Koriste se kao sastavni elementi gorivnih ćelija u vidu imobilizovanih oksidoreduktaza na elektrodama. Na anodi se uz pomoć enzima oksiduju hemijska jedinjenja i elektroni predaju elektrodi, dok se na katodi elektroni uz pomoć druge oksidoreduktaze prebacuju sa elektrode na vodu ili kiseonik. Enzimi koji se koriste na anodi su glukoza oksidaza, formaldehid dehidrogenaza, alkohol dehidrogenaza i druge oksidaze šećera. Na katodi se uglavnom koriste lakaze, bilirubin oksidaza, peroksidaze i citohrom c oksidaza. Zahvaljujući razvoju nanotehnologije razvijaju se i minijaturne biogorivne ćelije koje proizvode električnu energiju za implantirane medicinske uređaje (insulinske pumpe, pejsmejkere, biosenzore) koristeći glukozu i kiseonik iz ljudske krvi. Biosenzori predstavljaju uređaje koji se sastoje iz biološke komponente, transducera i električne komponente. Oni pretvaraju koncen traciju hemijske supstance u električni signal i koriste se za analitiku. Kao biološka komponenta se mogu koristiti enzimi, monoklonska antitela, nukleinske kiseline i lipidi. Enzimska logička kola predstavljaju kombinaciju različitih biosenzora (enzimskih reakcija) koji mere nekoliko ulaznih parametara i na osnovu njih daju odgovarajući izlazni signal. Koristeći znanja kompjuterske tehnologije enzimskim logičkim kolima mogu se simulirati AND, OR, XOR, NOR, NAND, INHIB i XNOR logička kola. Za poboljšanje osobina biokatalizatora u cilju efikasnije primene u bioelektrokatalizi koriste se tehnike proteinskog inžinjeringa kao što su racionalni dizajn i dirigovana evolucija. Dirigovana evolucija koristi iterativne korake mutiranja i selekcije, kako bi biokatalizator evoluirao u pravcu koji nam je potreban. Najsporiji stupanj u ovoj tehnologiji predstavlja 'skrining', te se u novije vreme pomoću protočne citometrije i mikrofluidike pokušavaju razviti nove metode visoko propusnog skrininga. U literaturi opisani primeri dirigovane evolucije glukoza oksidaze, glukoza dehidrogenaze, formaldehid dehidrogenaze, laktat dehidrogenaze, peroksidaze i lakaze. Kombinacijom enzimskih logičkih kola i mikrofluidne tehnologije se pokušavaju napraviti laboratorije na čipu koje bi omogućile kontinuirano praćenje zdravstvenog stanja vojnika na bojnom polju i u slučaju šoka (ranjavanja) primenu odgovarajuće terapije u toku prvih 30 minuta od povrede. To bi obezbedilo veći stepen preživljavanja vojnika u ratu. Takođe upotrebom enzimskih logičkih kola i antitela moguće je postići uskladištenje i šifrovanje informacija, kao i zaštitu lozinkom, odgovarajućih elektronskih uređaja kao što su biogorivne ćelije Razvoj nanotehnologije, proteinskog inžinjeringa i molekularnog računarstva otvara vrata novim mogućnostima u proizvodnji i dizajnu biogorivnih ćelija i bisenzorskih sistema, kao i u skladištenju i zaštiti informacija.