Redoxproteinschichten auf leitenden Trägern – Systeme für bioelektronische Anwendungen

Die Integration von Redoxenzymen und Elektrodenträgern und die Herstellung eines elektrischen Kontakts zwischen Biokatalysator und Elektrode bilden die Grundlagen von Bioelektronik und Optobioelektronik. Im Folgenden werden der wissenschaftliche Fortschritt beim Aufbau solcher mit einer Enzymschicht in elektrischem Kontakt stehender Elektroden und ihre denkbaren Anwendungen in bioelektronischen Geräten wie amperometrischen Biosensoren, Sensor‐Arrays, Logikschaltungen und optischen Speichern erörtert. Des weiteren werden Methoden zur Immobilisierung von Redoxenzymen auf Elektroden vorgestellt sowie das kovalente Anbinden von Proteinen, der Einsatz supramolekularer Affinitätskomplexe und die Rekonstitution von Apo‐Redoxenzymen für das Mikrostrukturieren von Elektroden mit Proteinmono‐ und ‐multischichten diskutiert. Der elektrische Kontakt in Enzymelektroden wird durch diffundierende Elektronenvermittler wie Ferrocenderivate, Ferricyanid, Chinone oder Bipyridiniumionen erreicht. Die kovalente Verknüpfung von Elektronenrelais mit der Enzymelektrode, die Vernetzung von Affinitätskomplexen aus Redoxprotein und als Relais fungierendem Cofaktor, mit dem die Elektrode funktionalisiert ist, oder die Oberflächenrekonstitution von Apoenzymen an derartig funktionalisierten Elektroden liefert bioelektrokatalytische Elektroden. Die Nutzung der funktionalisierten Elektroden als Biosensoren wird vorgestellt, und weitere Anwendungen von elektrisch „verkabelten” Enzymen als katalytische Grenzflächen in Biobrennstoffzellen werden diskutiert. Des Weiteren werden Methoden zur Mikrostrukturierung von Biomaterialien auf festen Trägern (Musterprägung) behandelt, die für den Aufbau von Sensor‐Arrays, selbstkalibrierenden Biosensoren und schaltbaren bioelektronischen Geräten erforderlich ist. Beispielsweise können lichtempfindliche Schichten aus Azid‐, Benzophenon‐ oder Diazinderivaten auf festen Trägern durch eine Maske bestrahlt werden, um Biomaterialien strukturiert kovalent mit der Oberfläche zu verknüpfen, oder es können nichtkovalente Wechselwirkungen (wie in Affinitätskomplexen zwischen Avidin und photomarkiertem Biotin oder zwischen Antikörper und photoisomerisierbarer Antigenschicht) zur Strukturierung genutzt werden; Muster aus hydrophilen und hydrophoben Domänen lassen sich mit Hilfe der Photolithographie, von Prägeverfahren oder Mikrobearbeitungsmethoden erzeugen. Photoaktivierbare Enzymelektroden dienen als photoschaltbare, optobioelektronische Systeme für die amperometrische Registrierung von Lichtsignalen, eignen sich also als optische Speicher, biomolekulare Verstärker und Logikschaltungen. Erzeugt werden sie durch Anknüpfen photoisomerisierbarer Gruppen an das Protein, durch Rekonstitution von Apoenzymen mit halbsynthetischen, photoisomerisierbaren Cofaktoren oder durch Verwendung photoisomerisierbarer Elektronenrelais.