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Titelaufnahme

Titel
Rational engineering of Pyranose Dehydrogenase for application to enzymatic bio-fuel cells / Christoph Gonaus
VerfasserGonaus, Christoph
Begutachter / BegutachterinObinger, Christian ; Spadiut, Oliver
Betreuer / BetreuerinPeterbauer, Clemens Karl ; Haltrich, Dietmar
ErschienenVienna, October 2016
Umfang95 Seiten : Diagramme
HochschulschriftUniversität für Bodenkultur Wien, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Pyranose Dehydrogenase / rationales Proteindesign / N-Glykosylierung / enzymatische Biobrennstoffzellen
Schlagwörter (EN)Pyranose Dehydrogenase / rational enzyme engineering / N-glycosylation / enzymatic bio-fuel cells
Schlagwörter (GND)Bioelektrochemische Brennstoffzelle / Proteindesign / Oxidoreductasen / Glykosylierung
URNurn:nbn:at:at-ubbw:1-18904 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
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Rational engineering of Pyranose Dehydrogenase for application to enzymatic bio-fuel cells [2.68 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Englisch)

Enzymatic bio-fuel cells transform chemical into electrical energy, with the help of enzyme modified electrodes. Due their membraneless design, they have been suggested for powering transportable micro devices and implantable sensors. One of the major remaining challenges is the achievable maximum power output of these systems. Here, rational enzyme engineering of an oxidoreductase for anode modification, pyranose dehydrogenase, was employed to increase achievable maximum current densities. The fungal enzyme pyranose dehydrogenase is of interest due to its broad substrate specificity, capability of dioxidation, and inability of reducing O2 to H2O2. Pyranose dehydrogenase from Agaricus bisporus was heterologously expressed in this work and compared to the three other reported recombinant pyranose dehydrogenases, to select the most promising target for enzyme engineering. Agaricus meleagris pyranose dehydrogenase I was chosen due to its generally moderately better catalytic efficiency and enzyme stability. The rational engineering strategy was based on reducing N-glycosylation, which was previously shown to be disadvantageous for bio-fuel cell performance. A systematic set of partially N-glycosylated Agaricus meleagris pyranose dehydrogenase I variants was tested on Os-polymer modified graphite electrodes. Knocking out the only apparently overglycosylated site, N252, did not create a variant with improved performance on Os-polymer modified electrodes. The site N319, on the other side, could not be knocked out without preventing functional recombinant expression in Pichia pastoris. However, electrodes based on the variant N75G/N175Q yielded an approximately 10-fold increased maximum current density (290 A cm-2) compared to the equivalent electrodes with recombinant wild type enzyme. It is therefore a promising candidate for application to future enzymatic bio-fuel cell anodes.

Zusammenfassung (Deutsch)

Enzymatische Biobrennstoffzellen wandeln chemische in elektrische Energie mithilfe Enzym modifizierter Elektroden um. Aufgrund deren membranloser Designs wurden sie für die Energieversorgung von Miniaturgeräten und implantierbaren Sensoren vorgeschlagen. Eine verbleibende Herausforderung ist die erreichbare maximale elektrische Leistung dieser Systeme. Proteindesign wurde in diesem Werk an einer vielversprechenden Oxidoreduktase, Pyranose Dehydrogenase, angewandt, um eine Erhöhung der maximalen Stromdichte zu erreichen. Dieses Enzym ist von Interesse wegen seiner breiten Substratspezifität, der Fähigkeit zur Dioxidation und da es die Reduktion von O2 zu H2O2 nicht katalysiert. Pyranose Dehydrogenase von Agaricus bisporus wurde in dieser Arbeit rekombinant exprimiert und mit den anderen 3 publizierten rekombinanten Varianten verglichen um die vielversprechendste Basis für rationales Proteindesign zu identifizieren. Agaricus meleagris Pyranose Dehydrogenase I wurde dafür, aufgrund höherer katalytischer Effizienz und Enzymstabilität, schlussendlich ausgewählt. Die Proteindesignstrategie basierte auf der Reduzierung der für Biobrennstoffzellen nachteiligen N-Glykosylierung. Ein systematisches Set an partiell N-glykosylierter Agaricus meleagris Pyranose Dehydrogenase I Varianten wurde auf Os-Polymer modifizierten Graphitelektroden getestet. Die Eliminierung der einzigen überglykosylierten Stelle, N252, führte nicht zu höheren Stromdichten der enzymatischen Bioelektroden. Die Stelle N319 wiederum konnte nicht eliminiert werden, ohne die funktionelle rekombinante Produktion des Enzyms in Pichia pastoris zu unterbinden. Elektroden basierend auf der Variante N75G/N175Q hingegen zeigten eine ca. 10-fache Steigerung der maximalen Stromdichte (290 A cm-2) im Vergleich zu äquivalenten Elektroden mit dem rekombinanten wildtyp Enzym. Diese Variante ist somit ein vielversprechender Kandidat für Anwendung in enzymatischen Biobrennstoffzellenanoden.