Elektrogesponnene Polymerfasern als neuartiges Material für die Bioelektrokatalyse des Enzyms Pyrrolochinolin- chinon-abhängige Glukosedehydrogenase Johannes Gladisch, David Sarauli, Daniel Schäfer, Birgit Dietzel, Burkhard Schulz, Fred Lisdat* Zusammenfassung Es wurde ein dreidimensionales Polymerfasernetzwerk aufgebaut, charakterisiert und anschließend daran das Enzym Pyrrolochinolinchinon-abhängige Glukosedehydro- genase (PQQ)GDH gebunden. Das Polymerfasernetz- werk wurde durch Elektrospinnen einer Mischung des Polymers Polyacrylnitril und verschiedener leitfähiger Polymere der Polyanilin-Familie auf Indium-Zinn-Oxid- Elektroden aufgebracht. Die so hergestellten Fasermat- ten erwiesen sich bei mikroskopischen Untersuchungen gleichförmig präpariert und die Faserdurchmesser be- wegten sich im Bereich weniger hundert Nanometer. Das Redoxpaar Kaliumhexacyanoferrat (II/III) zeigte an diesen Polymer-Elektrodenstrukturen eine quasi-reversible Elek- trochemie. Bei weitergehenden Untersuchungen an den enzymmodifzierten Fasern ((PQQ)GDH) konnten unter Substratzugabe (Glukose) bioelektrokatalytische Ströme nachgewiesen werden. Das Fasernetzwerk fungiert hier nicht nur als Immobilisierungsmatrix, sondern als auch als Teil des Signalwandlers. Abstract A three-dimensional polymeric electrode structure was de- veloped, characterized and subsequently coupled with the enzyme pyrroloquinoline quinone-dependent Glucosede- hydrogenase (PQQ)GDH. The polymeric fber network is produced by means of electrospinning from mixtures of polyacrylonitrile (PAN) and three different sulfonated poy- lanilines on top of ITO electrodes. The mats are uniform in their overall appearance; average diameters of the fbers produced are in the range of a few hundred nanometers. These polymeric structures can be shown to allow electro- chemical conversions as verifed with the ferri-/ferrocya- nide redox couple. In addition, application in bioelectro- catalysis can be demonstrated. For two of three selected blends of PAN with sulfonated polyanillines, a well-defned bioelectrochemical response is obtained upon covalent fxation of PQQ-GDH to the fber network and subsequent addition of substrate glucose. The electrospun matrix does not only act here as an immobilization support, but at the same time as a transducing element. WISSENSCHAFTLICHE BEITRÄGE 2016 20. Jahrgang (2016) ISSN: 0949-8214 Wiss Beitr TH Wildau 20:15–21 doi: 10.15771/0949-8214_2016_1_2 Januar 2016 * korrespondierender Autor 1. Einleitung Leitfähige Polymere wie Polyaniline, Polypyrrol oder Polythiophen stellen ein gutes Material zur Konstruktion von Elektroden dar, die mit biologischen Systemen interagieren sollen (Wallace & Kane-Maguire 2002). Daher werden sie gern als Material für Biosensoren einge- setzt, wo sie als Matrix zur Fixierung der Biomoleküle dienen können (Sassolas et al. 2012). Darüber hinaus können sie als molekulare Nanodrähte dienen, die die Enzyme mit den Elektroden verbinden (Sassolas et al. 2012). Insbesondere den Polyanilinen wurde verstärkt Aufmerksamkeit gewidmet, weil diese gegenüber anderen leit - fähigen Polymeren einige Vorteile aufweisen. Sie sind günstig und einfach herzustellen sowie stabil bei erhöhten Temperaturen und ungünstigen Umwelt- einflüssen (Jaymand 2013). Ferner können sowohl unterschiedlich dichte, als auch verschieden strukturierte Poly- anilinflme präpariert werden. Sie weisen eine defnierte Ladung auf und es können Biomoleküle gebunden oder eingebettet werden (Dhand et al. 2011). Nicht zuletzt können die Eigenschaften der Polyani - line durch das Einbringen funktioneller Gruppen in die Molekularstruktur ange- passt und optimiert werden. Durch Sulfonierung kann, im Vergleich zu unmodifziertem Polyanilin, neben der Leitfähigkeit und der Löslichkeit auch die Redoxaktivität über einen weiten pH-Bereich verbessert werden (Jaymand 2013). Sulfonierte Polyaniline sind in einer breiten Auswahl von Lösungsmitteln löslich, während für ein vergleichbares Ergebnis bei unmodifizierten Polyani - linen zusätzliche Substanzen zugegeben werden müssen (Jaymand 2013). Darüber hinaus sind die negativen Ladungen der Sulfonsäure-Gruppen sehr wahr- scheinlich vorteilhaft für die Interaktion mit Proteinen und Enzymen. Mehrere Studien legen nahe, dass sulfonierte Polyaniline eine geeignete Umgebung zur Immobilisierung von Redoxproteinen wie Cytochrom c (Zhang et al. 2006) und Hämoglobin (Zhou et al. 2005) sowie auch für Redoxenzyme wie Sulftoxidase 15 THWildau Wissenschaftliche Beiträge 2016 ANGEWANDTE BIOWISSENSCHAFTEN INFORMATIK / TELEMATIK OPTISCHE TECHNOLOGIEN / PHOTONIK PRODUKTION UND MATERIAL VERKEHR UND LOGISTIK MANAGEMENT UND RECHT