Protection and Reactivation of the [NiFeSe] Hydrogenase from Desulfovibrio vulgaris Hildenborough under Oxidative Conditions

Abstract

We report on the fabrication of bioanodes for H 2 oxidation based on [NiFeSe] hydrogenase. The enzyme was electrically wired by means of a specifically designed low-potential viologen-modified polymer, which delivers benchmark H 2 oxidizing currents even under deactivating conditions owing to efficient protection against O 2 combined with a viologen-induced reactivation of the O 2 inhibited enzyme. Moreover, the viologen-modified polymer allows for electrochemical co-deposition of polymer and biocatalyst and, by this, for control of the film thickness. Protection and reactivation of the enzyme was demonstrated in thick and thin reaction layers.

Redox‐Polymer‐Based High‐Current‐Density Gas‐Diffusion H2‐Oxidation Bioanode Using [FeFe] Hydrogenase from Desulfovibrio desulfuricans in a Membrane‐free Biofuel Cell

“…For the electrical wiring of DdHydAB, the redox polymers P(N 3 MA‐BA‐GMA)‐vio (poly(3‐azido‐propyl methacrylate‐ co ‐butyl acrylate‐ co ‐glycidyl methacrylate)‐viologen) and P(GMA‐BA‐PEGMA)‐vio (poly(glycidyl methacrylate‐ co ‐butyl acrylate‐ co ‐poly(ethylene glycol)methacrylate)‐ viologen) were integrated in a double‐layer configuration (Figure ) analogous to systems based on [NiFe] and [NiFeSe] hydrogenases that were described previously . The less hydrophilic P(GMA‐BA‐PEGMA)‐vio (lower viologen content, <65 mol %, compared to P(N 3 MA‐BA‐GMA)‐vio, 71 mol %) is used as an adhesion layer between the active P(N 3 MA‐BA‐GMA)‐vio/hydrogenase layer (green part in Figure ) and the rather hydrophobic carbon cloth .…”

“…The use of low‐potential viologen‐modified redox polymers as immobilization, wiring, and protection matrix ensured the use of various hydrogenases in conventional and membrane‐free dual‐gas diffusion H 2 /O 2 biofuel cells . Even the highly sensitive [FeFe] hydrogenase could be integrated in a conventional H 2 /O 2 biofuel cell in combination with an O 2 ‐reducing bilirubin oxidase biocathode .…”

Eine Redoxpolymer‐basierte Gasdiffusions‐H2‐Oxidationsbioanode mit hoher Stromdichte unter Verwendung von [FeFe]‐Hydrogenase aus Desulfovibrio desulfuricans integriert in einer membranfreien Biobrennstoffzelle

“…Die Verwendung von Viologen‐modifizierten Redoxpolymeren mit niedrigem Redoxpotential als Immobilisierungs‐, Verdrahtungs‐ und Schutzmatrix gewährleistete die Verwendung verschiedener Hydrogenasen in konventionellen und membranfreien Dual‐Gasdiffusions‐H 2 /O 2 ‐Biobrennstoffzellen . Selbst die hochempfindliche [FeFe]‐Hydrogenase konnte in Kombination mit einer O 2 ‐reduzierenden Bilirubinoxidase‐Biokathode in eine konventionelle H 2 /O 2 ‐Biobrennstoffzelle integriert werden.…”

“…Für die elektrische Kontaktierung von DdHydAB wurden die Redoxpolymere P(N 3 MA‐BA‐GMA)‐vio (Poly(3‐azidopropylmethacrylat‐ co ‐butylacrylat‐ co ‐glycidylmethacrylat)‐viologen) und P(GMA‐BA‐PEGMA)‐vio (Poly(glycidylmethacrylat‐ co ‐butylacrylat‐ co ‐poly(ethylenglycol)methacrylat)‐viologen) in einer Doppelschichtkonfiguration (Abbildung ) analog zu [NiFe]‐ und [NiFeSe]‐Hydrogenasen integriert . Das weniger hydrophile P(GMA‐BA‐PEGMA)‐vio (geringerer Viologengehalt, <65 Mol%, im Vergleich zu P(N 3 MA‐BA‐GMA)‐vio, 71 Mol%) wird als Haftvermittler zwischen der aktiven P(N 3 MA‐BA‐GMA)‐vio/Hydrogenaseschicht (grüner Teil in Abbildung ) und dem eher hydrophoben Kohlenstoffgewebe verwendet.…”

“…Nachdem der Gasfluss wieder auf 100 % Ar umgestellt worden war, wurden die Anfangsströme wiederhergestellt, was auf einen effizienten Schutz des hochempfindlichen DdHydAB durch die Polymermatrix selbst auf dem porösen und relativ rauen Kohlenstoffgewebe hinweist (es ist zu beachten, dass der Schutz am effizientesten für homogene und glatte Polymer‐/Enzymschichten ist). Dieser Befund steht im Einklang mit unseren früheren Ergebnissen, die mit anderen Hydrogenasetypen in Kombination mit Gasdiffusionselektroden und konventionellen flachen Glaskohlenstoffelektroden erhalten wuredn.…”