Forschungsbereich - Bioelektrochemie

Die Kombination von Elektrochemie mit biologischen Systmen und Fragestellungen eröffnet dieses spannende Arbeitsgebiet. Dabei steht neben der Funktionalisierung von metallischen Elektroden mit organischen bzw. biologischen Materialien vor allem die Entwicklung von Biosensoren und Biokatalysatoren im Vordergrund.

Experiment

Durch die Immobilisierung von Enzymen auf leitfähigen Oberflächen kann eine Schnittstelle zwischen leblosen und biologischen Systemen etabliert werden. Diese Schnittstelle ermöglicht eine direkte elektrische Kommunikation mit dem Enzym. Eben diese Eigenschaft kann für die Konstruktion eines selektiven Biosensors für bestimmte Moleküle genutzt werden. In der Gegenwart solcher Moleküle können spezifische Redoxenzyme die Oxidation oder die Reduktion der Moleküle katalysieren. Diese Redoxreaktionen erzeugen messbare elektrische Ströme, die die Aktivität des Enzyms sichtbar machen. Bildlich gesprochen, teilt uns das System mit, welche Prozesse im Augenblick ablaufen. Es liefert uns also Informationen.
Die Funktion eines enzymatischen Sensors kann auch umgekehrt werden, indem die Richtung der Informationsübertragung gewechselt wird. In diesem Fall geben wir dem System Informationen vor. Dies kann über das Anlegen einer Spannung und die Bereitstellung spezieller Moleküle geschehen. Mit diesen Vorgaben wird das Enzym gezwungen, eine gewünschte Reaktion zu katalysieren. Somit kann eine Enzymelektrode auch für Synthesen genutzt werden. Da Enzyme stets sowohl die Hin- als auch die Rückreaktion katalysieren, bieten sie eine breite Vielfalt möglicher Reaktionen.

Theorie

Electrochemical processes on biomolecules are of interest for a number of applications, such as analytics, diagnostics and fundamental understanding.

Focusing on DNA systems and peptides our aim is to understand the functionalization of electrodes with organic molecules down to the atomistic scale. Here, theoretical studies are extremely helpful to elucidate the structure of these interfaces and the ongoing processes, information that are often lacking and hardly accessible experimentally.

Thus, by combining ab-initioquantum-mechanical methods with classical and reactive forcefields we are exploring the interaction (and docking) between peptides and also their attachment to electrodes.

As entropy is the strongest driving force for reactions besides energy, we are also developing methods to accurately include these thermodynamic contributions. So far calculating the entropy for a given process was mostly restricted to solid or gas-like systems. To expand the evaluation of entropy contributions to liquid systems as well we adopted the 2PT-method for use with the ReaxFF framework.