В данной работе проведено исследование электрохимического поведения биоэлектродов на основе бактериальных лакказ Streptomyces carpinensis VKM Ac-1300, полученных с использованием различных способов иммобилизации. Биоэлектроды формировали путем закрепления фермента на поверхности электрода простой адсорбцией, методом адсорбции на предварительно модифицированном электроде многостенными углеродными нанотрубками и путем ковалентной сшивки фермента по карбоксильным группам с функционализированными многостенными углеродными нанотрубками. Оценка ориентации иммобилизованных ферментов лакказ и их способности к прямому и медиаторному электронному переносу проводилась методом прямой амперометрии при постоянном потенциале. Установлено, что в зависимости от метода иммобилизации правильную ориентацию и, как следствие, возможность прямого переноса электронов имеет от 5 до 10% иммобилизованного фермента. При этом ковалентное пришивание белка на поверхности модифицированных нанотрубками графитовых электродов приводит к более активному прямому переносу электронов, увеличению скорости восстановления кислорода и долговременной стабильности электродов. Таким образом, для бактериальных лакказ Streptomyces carpinensis VKM Ac-1300 показана возможность прямого переноса электронов при их иммобилизации путем ковалентного пришивания по карбоксильным группам многостенных углеродных нанотрубок, разработанные биоэлектроды могут быть использованы в качестве катодов в биотопливных элементах.

1. Fernández-Fernández M., Sanromán M.Á., Moldes D. Recent developments and applications of immobilized laccase // Biotechnol. Adv. 2013. №31 (8). P. 1808–1825.

2. By S., Arsenault A., Hassani T., Jones J. P., Cabana H. Laccase immobilization and insolubilization: From fundamentals to applications for the elimination of emerging contaminants in wastewater treatment // Crit. Rev. Biotechnol. 2013. №33 (4). P. 404–418.

3. Le Goff A., Holzinger M., Cosnier S. Recent progress in oxygen-reducing laccase biocathodes for enzymatic biofuel cells Cell // Mol. Life Sci. 2015. №72. P. 941–952.

4. Zhang Y. et al. Application of eukaryotic and prokaryotic laccases in biosensor and biofuel cells: recent advances and electrochemical aspects // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2018. №102 (24). P. 10409–10423.

5. Holzinger M., Le Goff A., Cosnier S. Carbon nanotube/enzyme biofuel cells // Electrochimica Acta. 2012. №82. P. 179-190.

6. Stolarczyk K. et al. Hybrid biobattery based on arylated carbon nanotubes and laccase // Bioelectrochemistry. 2012. №87. P. 154-163.

7. Giroud F. et al. Simplifying enzymatic biofuel cells: immobilized naphthoquinone as a biocathodic orientational moiety and bioanodic electron mediator // ACS Catalysis. 2015. №5 (2). P. 1240-1244.

8. Bandapati M., Krishnamurthy B., Goel S. Fully assembled membraneless glucose biofuel cell with MWCNT modified pencil graphite leads as novel bioelectrodes // IEEE Transactions on Nanobioscience. 2019. №18 (2). P. 170-175.

9. Gáspár S., Brinduse E., Vasilescu A. Electrochemical evaluation of laccase activity in must // Chemosensors. 2020. №8 (4). P. 126.

10. Ruff A. et al. A fully protected hydrogenase/polymer-based bioanode for high-performance hydrogen/glucose biofuel cells // Nature communications. 2018. №9 (1). P. 3675.

11. Olszewski B., Stolarczyk K. Laccase-catalyzed reduction of oxygen at electrodes modified by carbon nanotubes with adsorbed promazine or acetosyringone // Catalysts. 2018. №8 (10). P. 414.

12. Wu F. et al. Role of organic solvents in immobilizing fungus laccase on single-walled carbon nanotubes for improved current response in direct bioelectrocatalysis // Journal of the American Chemical Society. 2017. №139 (4). P. 1565-1574.

13. Gutiérrez-Sánchez C. et al. Enhanced direct electron transfer between laccase and hierarchical carbon microfibers/carbon nanotubes composite electrodes. Comparison of three enzyme immobilization methods // Electrochimica acta. 2012. №82. P. 218-223.

14. Dey B., Dutta T. Laccases: Thriving the domain of bio-electrocatalysis // Bioelectrochemistry. 2022. V. 146. P. 108144.

15. Lopes P., Koschorreck K., Nedergaard Pedersen J., Ferapontov A. et al. Bacillus Licheniformis CotA Laccase mutant: ElectrocatalyticReduction of O2 from 0.6 V (SHE) at pH 8 and in seawater // ChemElectroChem. 2019. V. 6. №. 7. P. 2043-2049.

16. Han Z., Zhao L., Yu P., Chen J. et al. Comparative investigation of small laccase immobilized on carbon nanomaterials for direct bioelectrocatalysis of oxygen reduction // Electrochemistry Communications. 2019. V. 101. P. 82-87.

17. Zhou Y., Umasankar Y., Ramasamy R.P. Laccase-TiO2 nanoconjugates as catalysts for oxygen reduction reaction in biocathodes // Journal of The Electrochemical Society. 2015. V. 162. №. 14. P. H911.

18. Franco A., Cebrián-García S., Rodríguez-Padrón D., Puente-Santiago A.R. et al. Encapsulated laccases as effective electrocatalysts for oxygen reduction reactions // ACS sustainable chemistry & engineering. 2018. V. 6. №. 8. P. 11058-11062.

19. Lalaoui N., David R., Jamet H., Holzinger M. et al. Hosting adamantane in the substrate pocket of laccase: direct bioelectrocatalytic reduction of O2 on functionalized carbon nanotubes // Acs Catalysis. 2016. V. 6. №. 7. P. 4259-4264.

20. Zhang L., Cui H., Zou Z., Garakani T.M. et al. Directed evolution of a bacterial laccase (CueO) for enzymatic biofuel cells // Angewandte Chemie International Edition. 2019. V. 58. №. 14. P. 4562-4565.