Optimierte Immobilisierung von Redoxproteinen an funktionale Elektrodenoberflächen für die molekulare Bioelektronik

Ziel dieser Arbeit war es, durch Kombination unterschiedlicher Immobilisierungstechniken eine Strategie zur funktionalen Immobilisierung von Cytochrom c (Cyt c) auf zwei-terminalen nanoskopischen Elektroden Bauelementen zu entwickeln. Die Immobilisierung von Redoxproteinen auf nanoskopischen Elektroden ist für die molekulare Bioelektronik von besonderem Interesse, um die für den Ladungstransfer verantwortlichen Prozesse an Einzelmolekülen aufklären zu können und so ein tieferes Verständnis der molekularen Mechanismen beim Elektronentransfer durch Biomoleküle zu bekommen. Redoxproteine sind aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften vielversprechende Kandidaten für neuartige bioelektronische Bauelemente. Cyt c ist ein sehr gut charakterisiertes und stabiles Redoxprotein, das aufgrund seines Modellcharakters in Bezug auf Elektronentransferreaktionen in dieser Arbeit als Untersuchungsobjekt gewählt wurde. Für Cyt c werden unterschiedlichste Immobilisierungsstrategien für die Beschichtung von Elektrodenoberflächen beschrieben. Untersuchungen an makroskopischen 2D Elektroden sollten zeigen, welche der konventionellen Strategien sich besonders gut für die Immobilisierung von Cyt c eignen. Das Linkermolekül, über das die Immobilisierung des Proteins erfolgen sollte, musste dabei zwei wesentliche Funktionen erfüllen. So war erforderlich, dass das Linkermolekül, neben einer funktionalen Anbindung des Proteins an die Oberfläche, ohne es dabei zu denaturieren, auch zu einer guten elektronischen Verknüpfung mit dem Protein führte. Langkettige Moleküle, wie etwa Polymere oder Proteinkomplexe schieden somit als Linkermoleküle aus. Um eine gerichtete bifunktionale Immobilisierung einzelner Cyt c Moleküle zwischen zwei nanoskopischen Elektroden (z.B. Crossbarelektroden oder Nanoelektroden in einem Bruchkontakt) zu ermöglichen, sollte eine zweite komplementäre Immobilisierungsstrategie zum Einsatz kommen. Im Gegensatz zur unspezifisch gerichteten Bindung bei physikalischen und größtenteils auch chemischen Immobilisierungsstrategien, erfolgt die Immobilisierung von Proteinen über Affinitätstags spezifisch und sehr effizient. Über die Beschaffenheit und Position des Tags, lässt sich die Orientierung der Proteine an der Oberfläche beeinflussen. Mit Hilfe rekombinanter DNA-Techniken, sollten His$_{6}$ Tags und alternativ ein speziell entwickelter Cystein Tag an N- bzw. C-terminaler Position von Pferde Cyt c angehängt werden. Die Funktionalität der exprimierten rekombinanten Proteine sollte überprüft, das bifunktionale Immobilisierungsverhalten auf Goldoberflächen untersucht und die Redoxaktivität in Abhängigkeit der [...

Sicherer Winterschutz für zartere Rosensorten

O. Schröpe

Das zweidimensionale attraktive Ein-Band-Hubbard-Modell: eine numerische Untersuchung zur Bestimmung der Übergangstemperatur

Schröper J. Das zweidimensionale attraktive Ein-Band-Hubbard-Modell: eine numerische Untersuchung zur Bestimmung der Übergangstemperatur. Bielefeld; 2000

Bidirectional immobilization of affinity-tagged cytochrome c on electrode surfaces

Here, we report a new strategy for the directed bivalent immobilization of cyt c on or between gold electrodes. C-terminal modification with cys- or his-tag did not affect the functional integrity of the protein. In combination with electrostatic protein binding, these tags enable a bifunctional immobilization between two electrodes or alternatively one electrode and interacting enzymes

Direct electrochemistry of novel affinity-tag immobilized recombinant horse heart cytochrome c

During the last decade protein electrochemistry at miniaturized electrodes has become important not only for functional studies of the charge transfer properties of redox proteins but also for fostering the development of sensitive biosensor and bioelectronic devices. One of the major challenges in this field is the directed coupling between electronic and biologically active components. A prerequisite for a fast and reversible electron transfer between electrode and protein is that the protein can be bound to the electrode in a favourable orientation. We examined electrostatic and bioaffinity-tag binding strategies for the directed immobilization of horse heart cytochrome c (cyt. c) on gold electrode surfaces to achieve this goal. Horse heart cyt. c was expressed in E. coli either as non-modified or genetically modified, i.e. histidine (his)-tag containing protein. The his-tags were introduced at defined positions at the N- or C-terminus of the polypeptide. It was our aim to generate tagged-versions of cyt. c that facilitate strong electronic coupling between protein and electrode and, at the same time, retain their catalytic and regulatory properties. The combination of different immobilization strategies, e.g. his-tag and electrostatic immobilization also opens new avenues for bivalent immobilization of proteins. This is of interest for molecular bioelectronic and biosensing applications where the proteins are immobilized between two crossing electrodes