Self-Assembled Peptide-Carbon Nitride Hydrogel as a Light-Responsive Scaffold Material

Abstract

Peptide self-assembly is a facile route to the development of bioorganic hybrid materials that have sophisticated nanostructures toward diverse applications. Here, we report the synthesis of self-assembled peptide (Fmoc-diphenylalanine, Fmoc-FF)/graphitic carbon nitride (g-CN) hydrogels for light harvesting and biomimetic photosynthesis through noncovalent interactions between aromatic rings in Fmoc-FF nanofibers and tris-s-triazine in g-CN nanosheets. According to our analysis, the photocurrent density of the Fmoc-FF/g-CN hydrogel was 1.8× higher (0.82 μA cm) than that of the pristine g-CN. This is attributed to effective exfoliation of g-CN nanosheets in the Fmoc-FF/g-CN network, facilitating photoinduced electron transfers. The Fmoc-FF/g-CN hydrogel reduced NAD to enzymatically active NADH under light illumination at a high rate of 0.130 mol g h and drove light-responsive redox biocatalysis. Moreover, the Fmoc-FF/g-CN scaffold could well-encapsulate key photosynthetic components, such as electron mediators, cofactors, and enzymes, without noticeable leakage, while retaining their functions within the hydrogel. The prominent activity of the Fmoc-FF/g-CN hydrogel for biomimetic photosynthesis resulted from the easy transfer of photoexcited electrons from electron donors to NAD via g-CN and electron mediators as well as the hybridization of key photosynthetic components in a confined space of the nanofiber network.

Extremely Compressible Hydrogel via Incorporation of Modified Graphitic Carbon Nitride

“…Reversible assembly of g‐CN particles in water was shown to provide hydrogel‐like 3D networks, presenting dye absorption and degradation platforms . Recently, it was employed in polymer chemistry to perform photopolymerization or fabricate hydrogels . It was shown that g‐CN sheets act as reinforcer and photoinitiator in radical mediated hydrogel formation with surface charge being one of the important parameters regarding hydrogel strength .…”

Photobiokatalyse: Aktivierung von Redoxenzymen durch direkten oder indirekten Transfer photoinduzierter Elektronen

“…[32] Quantenpunkte sind besonders photostabil und kçnnen mehrere Anregungszyklen durchlaufen. [34,35] Diese Materialien sind umweltverträglicher und weisen eine hçhere Biokompatibilitäta uf als klassische QDs,d ie giftige Schwermetalle wie Cadmium und Chalkogenide enthalten. Darüber hinaus lassen sich die photophysikalischen Absorptionseigenschaften von Quantenpunkten sowie deren Emissionsspektren und die Effiziens der durch Belichtung erzeugten Tr ennung von Ladungsträgern durch die Va riation ihrer Grçße und Zusammensetzung präzise einstellen.…”

“…In aktuellen Arbeiten wurden auch kohlenstoffbasierte Nanomaterialien wie graphitisches Kohlenstoffnitrid (g-C 3 N 4 )und C-Dots (CDs) in photobiokatalytischen Anwendungen eingesetzt. [34,35] Diese Materialien sind umweltverträglicher und weisen eine hçhere Biokompatibilitäta uf als klassische QDs,d ie giftige Schwermetalle wie Cadmium und Chalkogenide enthalten. [36] g-C 3 N 4 ist ein metallfreier polymerer Photokatalysator mit starker Absorption im Bereich sichtbaren Lichts und einer Bandlücke von etwa 2.7 eV.…”

“…Hydrogenasen als Fe-Cluster-haltige Metalloenzyme katalysieren die Reduktion von Protonen zu molekularem Wasserstoff (oder die entgegengesetzte Reaktion) und wurden in den letzten Jahren intensiv als Katalysatoren für die solargetriebene Brennstoffherstellung erforscht, da ihre Aktivitäta nd ie anorganischer Katalysatoren wie Pt heranreicht. Aktuelle Forschungsansätze beschäftigen sich damit, Wege zur direkten Photoaktivierung von Hydrogenasen zu finden, in dem durch spezifische/nicht-spezifische Wechselwirkungen mittels kovalenter Bindung oder physikalischer Adsorption Kontakte zwischen organischen (oder anorganischen) Photosensibilisatoren und Hydrogenasen hergestellt werden [34,[88][89][90][91][92][93][94][95]. Die Eisen-Schwefel-Cluster, wie beispielsweise 4Fe-4S,b ilden hierbei die Elektronentransferkette,w elche die bençtigten Elektronen an das ins Innere des Enzyms eingebettete aktive Zentrum liefert.…”

“…Ihre Klassifizierung folgt der Art des jeweils enthaltenen eisenhaltigen Metallcluster (d. h. beispielsweise[FeFe],[NiFe],[ NiFeSe]) im aktiven Zentrum [87]. Als Alternative zu kostenintensiven Ru-basierten Farbstoffen werden auch Kohlenstoff-basierte Materialien wie polymeres Kohlenstoffnitrid (CN x )z ur direkten Photoaktivierung von [NiFeSe]-Hydrogenase eingesetzt [34,89]. Aktuelle Forschungsansätze beschäftigen sich damit, Wege zur direkten Photoaktivierung von Hydrogenasen zu finden, in dem durch spezifische/nicht-spezifische Wechselwirkungen mittels kovalenter Bindung oder physikalischer Adsorption Kontakte zwischen organischen (oder anorganischen) Photosensibilisatoren und Hydrogenasen hergestellt werden [34,[88][89][90][91][92][93][94][95].…”