Gelenkte Evolution einer bakteriellen Laccase für enzymatische Biokraftstoffzellen

27.02.2019
  Dr. Lingling Zhang Urheberrecht: © BioVI

Lingling Zhang, Haiyang Cui, Zhi Zou, Tayebeh Mirzaei Garakani, Catalina Novoa-Henriquez, Bahareh Jooyeh und Ulrich Schwaneberg, Angew. Chem. Int. Ed, 2019. DOI: 1002/ange.201814069

Durch gelenkte Evolution von CueO konnten mithilfe von elektrochemischem Screening Substitutionen identifiziert werden, die zu einem dramatischen Rückgang der Überspannung von 0,12 V führten und CueO wettbewerbsfähig gegenüber Pilzlaccasen in der Anwendung in enzymatischen Biokraftstoffzellen machte.

 
  Darstellung der Methoden und Ergebnisse der Publikation Urheberrecht: © Angew. Chem. Int. Ed Schematische Darstellung der elektrochemischen Screeningplattform, Strukturansicht des Kupfers und der angrenzenden Reste von CueO und elektrokatalytische Polarisationskurven in Bezug auf den CueO-Wildtyp und die CueO-Variante D439T/L502K.

In dieser Studie wurde die bakterielle Laccase CueO von Escherichia coli ausgewählt, um eine gelenkte Evolution zur Senkung des Überpotentials der kathodischen Sauerstoffreduktion durchzuführen. Eine robuste und effiziente elektochemische 8-Kanal Screening-Plattform wurde erstmals entwickelt, um CueO-Varianten zu bewerten, die durch zufällige Mutagenese und anschließende Sätigungsmutagenese erzeugt werden. Die Enzymimmobilisierung konnte dabei in 20 Sekunden und direkt aus Rohzelllysaten durchgeführt werden. Zwei Positionen in der Nähe der koordinierten Liganden des T1-Kupfers wurden als Hauptregion identifiziert, die zu einer Verbesserung des Anfangspotenzials beitragen. Mit einer doppelten Substitution in CueO wurde ein bemerkenswert erhöhtes Anfangspotenzial von 0,54 V erreicht. Schließlich erzeugte die Kathode ein Leerlaufpotenzial von 0,56 V sowie eine 1,72-fach erhöhte Leistungsabgabe für die enzymatische Biokraftstoffzelle, die die erzeugte CueO-Variante in Verbindung mit einer Glukosedehydrogenase umfasst. Das entwickelte gelenkte Evolutionsprotokoll bietet eine vielversprechende Methodik jenseits von Chemie und Materialwissenschaft, um die Laccase-Eigenschaften wie Substratspezifität, Umsatzeffizienz und Toleranz gegenüber harschen Umgebungsbedingungen zu verbessern.

Diese Arbeit wurde von der Alexander von Humboldt-Stiftung unterstützt.