除草剤バイオセンサーの背後にある合理性を再評価する。光化学系II/レドックスポリマーをベースとしたバイオ電極の場合

Reassessing the rationale behind herbicide biosensors: The case of a photosystem II/redox polymer-based bioelectrodefs.

• Panpan Wang
• Fangyuan Zhao
• Volker Hartmann
• Marc M Nowaczyk
• Adrian Ruff
• Wolfgang Schuhmann
• Felipe Conzuelo

抄録

光合成タンパク質複合体と電極とのインターフェースは、電子移動機構の解明やバイオセンサーの作製に頻繁に利用されています。除草剤化合物が光化学系II（PSII）の末端プラスキノンQに結合すると、電子の流れが阻害され、関連するバイオデバイスの性能が低下することが知られています。したがって、PSIIでの電子輸送阻害の原理は、除草剤の検出に使用することができ、この目的のためのいくつかのバイオセンサーの製造に触発されてきました。しかし、バイオセンサーの性能は、一般的に予想されるよりも複雑な挙動を示す可能性があります。ここでは、レドックスポリマーマトリックスに埋め込まれたPSIIで構成された光バイオ電極について紹介するが、阻害剤による効果は、PSIIからの電子移動だけでなく、タンパク質複合体の固定化と電気配線に使用されるポリマーフィルムの特性にも影響を与える。フェノール系阻害剤をポリマーフィルムに組み込むことで、驚くべきことに、光電流の増強と、特に、電極構造全体の安定性の向上につながります。この結果は、バイオセンサーの構造全体に影響を及ぼす可能性のある分析物を最初に評価することの重要性を強調しており、将来のバイオ電気化学デバイスの設計において考慮すべき重要な洞察を提供しています。

Interfacing photosynthetic protein complexes with electrodes is frequently used for the identification of electron transfer mechanisms and the fabrication of biosensors. Binding of herbicide compounds to the terminal plastoquinone Q at photosystem II (PSII) causes disruption of electron flow that is associated with a diminished performance of the associated biodevice. Thus, the principle of electron transport inhibition at PSII can be used for herbicide detection and has inspired the fabrication of several biosensors for this purpose. However, the biosensor performance may reveal a more complex behavior than generally expected. As we present here for a photobioelectrode constituted by PSII embedded in a redox polymer matrix, the effect caused by inhibitors does not only impact the electron transfer from PSII but also the properties of the polymer film used for immobilization and electrical wiring of the protein complexes. Incorporation of phenolic inhibitors into the polymer film surprisingly translates into enhanced photocurrents and, in particular cases, in a higher stability of the overall electrode architecture. The achieved results stress the importance to evaluate first the possible influence of analytes of interest on the biosensor architecture as a whole and provide important insights for consideration in future design of bioelectrochemical devices.

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