Fine discrimination of volatile compounds by graphene-immobilized odorant-binding proteins

Abstract We describe the fabrication and performance of a biosensor for odorants, using wildtype and engineered mutants of the Italian honeybee (Apis mellifera ligustica) odorant binding protein 14 (OBP14), immobilized onto a reduced graphene oxide field-effect transistor (rGO-FET). The binding properties of the protein when immobilized on the biosensor are similar to those measured in solution, thus providing a method for measuring affinities to small molecules as an alternative to the current fluorescence assay. Out of the 14 chemicals tested, the best ligands for wildtype OBP14 were eugenol, homovanillic acid and related compounds sharing a phenol-methoxy backbone. Other chemicals, including methyl eugenol, showed affinities to OBP14 100–1000 times lower. We have also tested two mutants of OBP14. The first, bearing a HisTag at its N-terminus for better orientation on the sensor surface, showed only minor differences in its binding properties for chemicals when compared to the wildtype. The second contained an additional disulfide bond between helices α3 and α6, thus reducing the dynamics of OBP14 and leading to a higher affinity for eugenol. These data also demonstrate that it is feasible to produce biosensors with desired ligand specificities by introducing selected mutations into the structure of OBPs or other active proteins

The extended growth of graphene oxide flakes using ethanol CVD

We report the extended growth of Graphene Oxide (GO) flakes using atmospheric pressure ethanol Chemical Vapor Deposition (CVD). GO was used to catalyze the deposition of carbon on substrate in the ethanol CVD with Ar and H2 as carrier gases. Raman, SEM, XPS 10 and AFM characterized the growth to be reduced GO (RGO) of <5 layers. This new grown RGO possesses lower defect density with larger and increased distribution of sp2 domains than chemically-reduced RGO. Furthermore this method without optimization reduces relative standard deviation of electrical conductivity between chips, from 80.5% to 16.5%, enabling RGO to be used in practical electronic devices

Biochemische Charakterisierung des Exopolysaccharids von Pediococcus parvulus B399, sowie dessen Hydrolyse durch eine neue beta-1,3-Glucanase aus Delftia sp. MV01

In der vorliegenden Arbeit wurde die erste β-1,3-Glucanase aus Delftia beschrieben. Es konnte gezeigt werden, dass das Enzym unter anderem gegen das nur schwer zu hydrolysierende Exopolysaccharid aus Pediococcus parvulus wirkte. rnrnIm Einzelnen wurde zunächst das Exopolysaccharid aus Pediococcus parvulus B399 aus einem eigens zusammengestellten β-Glucan-Synthesemedium (Medium M) isoliert und gereinigt. Anschließend erfolgte eine umfassende Charakterisierung des Biopolymers. Hierzu gehörten neben der sauren Hydrolyse zur Bestimmung der Monomerzusammensetzung des Polymers, auch spektroskopische Methoden, darunter 1H und 13C-NMR. Mithilfe der NMR-Spektroskopie konnte die Struktur des Exopolysaccharids aus Pediococcus parvulus B399 bestimmt werden. Es handelte sich hierbei ebenfalls um ein β-1,3(1,2)-Glucan, wie es bereits für Pediococcus parvulus 2.6 beschrieben wurde. Darüber hinaus wurde erstmals ein ATR-FTIR-Spektrum für ein Exopolysaccharid aus Pediokokken gezeigt. Über GPC-Messungen konnte auch die molekulare Größe des β-1,3(1,2)-Glucans aus Pediococcus parvulus B399 bestimmt werden. Es wurde nachgewiesen, dass sich das Exopolysaccharid bei Anzucht in Medium M aus einer hochmolekularen Fraktion (5* 106 g/mol) und vier niedermolekularen Fraktionen (347; 818; 10048 und 20836 g/mol) zusammensetzte. Neben der strukturellen Charakterisierung, wurde das Exopolysaccharid auch rheologisch untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass es sich durch seine schwach gelbildenen Eigenschaften auch zum Einsatz in der Lebensmittelindustrie als Stabilisator, Fettersatzmittel oder ähnliches eignen würde. Die erwähnte gelbildende Netzwerkstruktur konnte für das Exopolysaccharid aus Pediococcus parvulus B399 auch erstmals im AFM bestätigt werden. rnEin weiterer Teil der Arbeit umfasste ein breites Screeningverfahren nach einem geeigneten Organismus, der das Exopolysaccharid aus Pediococcus parvulus B399 effektiv hydrolysieren sollte. Aus einer Anreicherungskultur des Termitendarms (Wenzel et al., 2002), konnte Delftia sp. MV01 isoliert werden. Dieser Organismus produzierte bei Wachstum in β glucanhaltigem Medium (Exopolysaccharid aus Pediococcus parvulus B399, sowie weitere kommerziell erhältliche β-1,3-Glucane) eine Glucanase, die in folgenden Schritten konventionell gereinigt und charakterisiert wurde.In der vorliegenden Arbeit wurde die erste β-1,3-Glucanase aus Delftia beschrieben. Es konnte gezeigt werden, dass das Enzym unter anderem gegen das nur schwer zu hydrolysierende Exopolysaccharid aus Pediococcus parvulus wirkte. rnrnIm Einzelnen wurde zunächst das Exopolysaccharid aus Pediococcus parvulus B399 aus einem eigens zusammengestellten β-Glucan-Synthesemedium (Medium M) isoliert und gereinigt. Anschließend erfolgte eine umfassende Charakterisierung des Biopolymers. Hierzu gehörten neben der sauren Hydrolyse zur Bestimmung der Monomerzusammensetzung des Polymers, auch spektroskopische Methoden, darunter 1H und 13C-NMR. Mithilfe der NMR-Spektroskopie konnte die Struktur des Exopolysaccharids aus Pediococcus parvulus B399 bestimmt werden. Es handelte sich hierbei ebenfalls um ein β-1,3(1,2)-Glucan, wie es bereits für Pediococcus parvulus 2.6 beschrieben wurde. Darüber hinaus wurde erstmals ein ATR-FTIR-Spektrum für ein Exopolysaccharid aus Pediokokken gezeigt. Über GPC-Messungen konnte auch die molekulare Größe des β-1,3(1,2)-Glucans aus Pediococcus parvulus B399 bestimmt werden. Es wurde nachgewiesen, dass sich das Exopolysaccharid bei Anzucht in Medium M aus einer hochmolekularen Fraktion (5*106 g/mol) und vier niedermolekularen Fraktionen (347; 818; 10048 und 20836 g/mol) zusammensetzte. Neben der strukturellen Charakterisierung, wurde das Exopolysaccharid auch rheologisch untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass es sich durch seine schwach gelbildenen Eigenschaften auch zum Einsatz in der Lebensmittelindustrie als Stabilisator, Fettersatzmittel oder ähnliches eignen würde. Die erwähnte gelbildende Netzwerkstruktur konnte für das Exopolysaccharid aus Pediococcus parvulus B399 auch erstmals im AFM bestätigt werden. rnEin weiterer Teil der Arbeit umfasste ein breites Screeningverfahren nach einem geeigneten Organismus, der das Exopolysaccharid aus Pediococcus parvulus B399 effektiv hydrolysieren sollte. Aus einer Anreicherungskultur des Termitendarms (Wenzel et al., 2002), konnte Delftia sp. MV01 isoliert werden. Dieser Organismus produzierte bei Wachstum in β glucanhaltigem Medium (Exopolysaccharid aus Pediococcus parvulus B399, sowie weitere kommerziell erhältliche β-1,3-Glucane) eine Glucanase, die in folgenden Schritten konventionell gereinigt und charakterisiert wurde

Electronic biosensors based on graphene FETs

International audienceOlfaction is capable of accomplishing incredible tasks: it starts with capturing an odor molecule, delivering it to the odorant receptors, converting it into an electrical stimulus and transmitting the data to the brain. And all of this in milliseconds. The sense of smell is not yet fully decoded and is far from being replicated by modern sensor technologies. One approach to convert biological recognition- and binding events in real-time and in a label-free manner to electrical signals is emulated in a "biomimetic electronic smell sensor". It is based on a transistor, in many cases realized as a field-effect transistor (FET) with a biorecognition element, e.g., an odorant binding protein (OBP) converting the binding event of one of its typically many ligands directly into a measurable electrical signal. OBPs are immobilized on these FETs and modulate the current in the presence of smell molecules due to the charge redistribution in the gated channel. Graphene is an elegant candidate to realize such a sensor device because an atomic monolayer of a semiconducting material leads to increased sensitivity. Beside the direct molecule interaction with the substrate upon binding and its excellent biocompatible character, graphene has the advantage of a biological-friendly working point in the sub-Volt regime. Different approaches of preparation and functionalization of graphene field-effect transistors (gFETs) are utilized to tune the performance for odorant sensing. The evaluation of kinetic binding parameters like association and dissociation rate constants and the equilibrium affinity constants of protein-ligand interactions can be derived from the direct electrical read-out of such miniaturized sensor systems. In this article, the state of the art of gFET preparation, functionalization, and operation for odorant sensing will be discussed

The extended growth of graphene oxide flakes using ethanol CVD

We report the extended growth of Graphene Oxide (GO) flakes using atmospheric pressure ethanol Chemical Vapor Deposition (CVD). GO was used to catalyze the deposition of carbon on a substrate in the ethanol CVD with Ar and H2 as carrier gases. Raman, SEM, XPS and AFM characterized the growth to be a reduced GO (RGO) of <5 layers. This newly grown RGO possesses lower defect density with larger and increased distribution of sp2 domains than chemically reduced RGO. Furthermore this method without optimization reduces the relative standard deviation of electrical conductivity between chips, from 80.5% to 16.5%, enabling RGO to be used in practical electronic devices.Accepted versio