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Engineering bio-interfaces for the direct electron transfer of Myriococcum thermophilum cellobiose dehydrogenase: Towards a mediator-less biosupercapacitor/biofuel cell hybrid

纤维二糖脱氢酶 电子转移 调解人 化学 生物燃料 纤维二糖 生化工程 材料科学 纳米技术 生物 生物化学 生物技术 细胞生物学 有机化学 纤维素酶 工程类
作者
Xiaomei Yan,Jing Tang,Su Ma,David Tanner,Roland Ludwig,Jens Ulstrup,Xinxin Xiao
出处
期刊:Biosensors and Bioelectronics [Elsevier BV]
卷期号:210: 114337-114337 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.bios.2022.114337
摘要

Direct electron transfer (DET) of enzymes on electrode surfaces is highly desirable both for fundamental mechanistic studies and to achieve membrane- and mediator-less bioenergy harvesting. In this report, we describe the preparation and comprehensive structural and electrochemical characterization of a three-dimensional (3D) graphene-based carbon electrode, onto which the two-domain redox enzyme Myriococcum thermophilum cellobiose dehydrogenase (MtCDH) is immobilized. The electrode is prepared by an entirely novel method, which combines in a single step electrochemical reduction of graphene oxide (GO) and simultaneous electrodeposition of positively charged polyethylenimine (PEI), resulting in a well dispersed MtCDH surface. The resulting MtCDH bio-interface was characterized structurally in detail, optimized, and found to exhibit a DET maximum current density of 7.7 ± 0.9 μA cm−2 and a half-lifetime of 48 h for glucose oxidation, attributed to favorable MtCDH surface orientation. A dual, entirely DET-based enzymatic biofuel cell (EBFC) was constructed with a MtCDH bioanode and a Myrothecium verrucaria bilirubin oxidase (MvBOD) biocathode. The EBFC delivers a maximum power density (Pmax) of 7.6 ± 1.3 μW cm−2, an open-circuit voltage (OCV) of 0.60 V, and an operational lifetime over seven days, which exceeds most reported CDH based DET-type EBFCs. A biosupercapacitor/EBFC hybrid was also constructed and found to register maximum power densities 62 and 43 times higher than single glucose/air and lactose/air EBFCs, respectively. This hybrid also shows excellent operational stability with self-charging/discharging over at least 500 cycles.
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