Optimierte Immobilisierung von Redoxproteinen an funktionale Elektrodenoberflächen für die molekulare Bioelektronik

Abstract

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 [...