Diseño de estrategias de inmovilización orientada y estable de metaloenzimas redox sobre electrodos nanoestructurados

Resumen

Se han desarrollado diferentes estrategias de inmovilización de metaloenzimas redox sobre electrodos debido a que la integración de proteínas redox en sistemas nanoestructurados tiene gran interés actualmente para el desarrollo de aplicaciones en biosensores, biopilas de combustible, dispositivos nanobioelectrónicos y procesos nanobiocatalíticos. Uno de los tipos de enzimas empleadas para su integración en sistemas nanoestructurados han sido las hidrogenasas. Estas metaloenzimas redox (que contienen Ni y/o Fe) catalizan de forma reversible la oxidación del hidrógeno molecular a protones: H2 ? 2H+ + 2e- Las hidrogenasas catalizan de forma muy eficiente esta reacción, ya que lo hacen prácticamente al potencial redox termodinámico, con un número de recambio muy alto y en condiciones muy suaves. El estudio de las hidrogenasas, tanto en ciencia básica como aplicada, tiene actualmente un gran auge internacional, debido al creciente ínterés mundial en la utilización del H2 como vector energético del futuro. En la mayoría de las celdas de combustible de baja temperatura desarrolladas hasta ahora, el catalizador para la oxidación del hidrógeno molecular es un metal noble, generalmente platino, un elemento muy costoso y muy escaso que plantea problemas de suministro a corto plazo. Estos catalizadores tienen además la desventaja de envenenarse facilmente con CO, presente habitualmente en la mezclas de gases usadas en las celdas de combustible. Una alternativa que se presenta, es la utilización de enzimas biológicos para el desarrollo de biopilas de combustible y que actuarán como biocatalizadores. Ya que pueden catalizar la oxidación y reducción de muchas sustancias y es posible generar transferencia directa de los electrones con el electrodo. La lacasa, la otra enzima empleada, pertenece a la familia de las enzimas multicobre y es capaz de reducir directamente el oxígeno a agua a un potencial de 800 mV. Se encuentra fundamentalmente en los hongos y en las plantas. Es una enzima monomérica que presenta tres dominios conectados consecutivamente. Contienen cuatro iones Cu repartidos en tres centros, llamados T1 y T2/T3. Según el potencial del centro T1 se puede clasificar a las lacasas en lacasas de alto (790-700 mV vs NHE) y bajo potencial (630-430 mV vs NHE). La inmovilización de enzimas sobre nanomateriales (nanopartículas, nanohilos, nanotubos de carbono, grafeno, etc.) de manera controlada permite combinar las propiedades catalíticas de las primeras con las propiedades electrónicas, ópticas y mecánicas de las segundas, las cuales en muchos casos sólo aparecen a nivel nanoscópico. La combinación de biocatalizadores enzimáticos con nanomateriales hace necesaria su funcionalización para poder establecer interacciones específicas con las enzimas a utilizar. De este modo se evita la desnaturalización que sufriría la enzima al adsorberse directamente sobre el soporte, permitiendo también optimizar su recubrimiento y orientación para aumentar las propiedades catalíticas del sistema híbrido enzima-nanomaterial. Para lo cual se modificaron las diferentes superficies con monocapas autoensambladas de tioles o mediante la reducción de sales de diazonio aromáticas. Y posteriormente se inmovilizaron las diferentes metaloenzimas mediante diferentes estrategias de inmovilización. La hidrogenasa se coinmovilizó en un solo paso mediante la presencia de fosfolípidos. En esta estrategia el "cluster" sulfoférrico distal se orientó hacia la superficie del electrodo y la cadena hidrofóbica se insertó sobre una bicapa de fosfolípidos generada sobre la monocapa de hidrogenasa.