Enzymy na stałych podłożach i w układach nanostrukturalnych

Głównym przedsięwzięciem niniejszej rozprawy doktorskiej jest opracowanie metod unieruchamiania enzymów na wybranych podłożach, biorąc szczególnie pod uwagę kontrolowanie orientacji przestrzennej cząsteczek enzymów na powierzchni oraz określenie jej wpływu na aktywność bioelektrokatalityczną, strukturę oraz stabilność biokatalizatorów. Tematyka badawcza skupia się na opracowaniu efektywnych powierzchni katalitycznych, które mają kluczowe znaczenie dla rozwoju technologii biopaliwowych i biosensorów trzeciej generacji. Ponadto praca obejmuje charakterystykę fizykochemiczną układów nanostrukturalnych, których oddziaływanie na biomolekuły jest niezwykle ważne z punktu widzenia zastosowań biomedycznych. W pracy wykorzystywane są trzy wybrane enzymy: lakaza, peroksydaza chrzanowa (HRP) oraz katalaza (CAT). Stanowią one główny element otrzymywanych, a następnie badanych układów elektrodowych. Aktywność elektrokatalityczna biokatalizatorów sprawdzana jest na kilku podłożach modyfikowanych chemicznie bądź elektrochemicznie np. tioalkoholami, solami diazoniowymi, lipidami, tlenkiem grafenu (GO), makro- oraz nanostrukturalną polianiliną lub poprzez chropowacenie złota. Realizację poszczególnych zadań badawczych umożliwiła duża różnorodność dostępnych technik pomiarowych np.: woltamperometria cykliczna (CV), chronoamperometria (CA), technika Langmuira - Blodgett (LB), mikroskopia kąta Brewstera (BAM), skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM), mikroskopia optyczna i mikroskopia w podczerwieni, spektroskopia UV-Vis, Ramana oraz absorpcyjna spektroskopia odbiciowa w podczerwieni z modulacją polaryzacji światła (PMIRRAS). Na efektywne działanie badanych układów wpływa wiele parametrów. Szczególnie ważne jest odpowiednie zorientowanie się cząsteczek enzymów względem powierzchni elektrody, a także ich oddziaływanie z warstwą pośredniczącą w transporcie elektronów, pamiętając że modyfikacje podłoża powinny charakteryzować się dużym przewodnictwem elektrycznym.

The main goal of this thesis is to develop methods of enzymes immobilization on selected substrates, considering controlling of the spatial orientation of the enzymes molecules and to determine this effect of immobilization on bioelectrocatalytical activity and stability of biocatalysts. Research focuses on developing of efficient catalytic surfaces which are crucial for biofuel technolgies and third-generation biosensors. In addition, the work involves physicochemical characteristics of nanostructured systems, being extremely important for biomedical applications. In this PhD thesis three selected enzymes are used: laccase, horseradish peroxidase (HRP) and catalase. They are the main component of obtained and studied electrode systems. The electrocatalytic activity of biocatalysts is checked on several, chemically or electrochemically modified substrates eg. tioles, diazonium salts, lipids, graphene oxide (GO), macro- and nanostructured polyaniline or on roughened gold. The implementation of individual research tasks enabled the wide variety of available measurement techniques such as: cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry (CA), the Langmuir-Blodgett technique (LB), Brewster angle microscopy (BAM), scanning electron microscopy (SEM), optical microscopy and infrared microscopy, UV-Vis spectroscopy, Raman spectroscopy and polarization modulation infrared reflection absorption spectroscopy (PM-IRRAS). Many parameters influence the performance of studied systems. Particularly important is the appropriate orientation of the enzyme molecules with respect to the surface of the electrode and their interaction with the intermediate layer, which influence the electron transport. Apart from the orientation, the electrical conductivity of intermediary layer plays an important role.