Riassunto analitico
The confluence of biology, chemistry, and electrochemistry has birthed the dynamic field of bioelectrochemistry. This discipline harnesses biological systems, such as enzymes and cells, to translate biochemical processes into electrical signals and vice versa. Central to bioelectrochemistry are bioelectrodes, acting as interfaces between biology and electronics, pivotal in studying, manipulating, and exploiting biological reactions through electrochemical means.
This thesis explores the development of bioelectrodes for biotechnological applications, a rapidly evolving field with vast potential across science and technology. Bioelectrodes utilize biological materials, like enzymes and cells, to facilitate electron transfer processes, finding applications in biosensors, biofuel cells, bioremediation, and bioprocessing. The immobilization of biological molecules onto electrode surfaces is a fundamental aspect, enabling diverse biotechnological processes.
The dissertation focuses on the characterization studies of copper oxidases and bacterial cell-based bioelectrodes, aiming to extend their applications, particularly in carbon capture. The research delves into the investigation of copper oxidases performing oxygen reduction and bacterial cell-based bioelectrodes proficient in hydrogen evolution and CO2 reduction.
Two distinct approaches were employed in the study: enzyme-modified electrodes, emphasizing the Multicopper Oxidases family for potential use in biofuel cells, and cells-modified electrodes, focusing on Desulfovibrio Vulgaris Hildenborough (DvH) bacteria and its mutants, utilizing them as living catalysts for reductive reactions.
The overarching objective is to establish a highly efficient bioelectrochemical system for CO2 conversion and H2 evolution, surpassing current technological limitations. The envisioned outcome is a contribution to circular economies, utilizing waste residues and mitigating carbon emissions through sustainable and green chemistry approaches.
In the subsequent sections, the thesis provides a comprehensive overview of bioelectrodes, their applications in various fields, and a detailed exploration of enzyme-modified electrodes, specifically focusing on the Multicopper Oxidases family. The discussion extends to cells-modified electrodes, emphasizing the bacterium DvH and its mutants, elucidating their role in sustainable biocatalysis.
The study of enzyme-modified electrodes delves into the intricacies of enzyme catalysis, emphasizing extremophilic enzymes, with a particular focus on the Multicopper Oxidases family. The research investigates the mechanism of dioxygen reduction to water by Multicopper Oxidases, unraveling insights crucial for bioelectrode development.
The second part of the work focuses on more complex bioelectrodes integrating bacterial cells, particularly DvH, for reductive reactions such as H2 evolution and CO2 reduction. The study utilizes wild-type and modified bacterial strains, aiming at enhanced and selective conversion systems. Engineering strategies are explored to optimize metabolic pathways and improve electron transfer for efficient bioelectrochemical transformations.
Ultimately, this thesis contributes to the evolving landscape of bioelectrochemistry, offering insights into bioelectrode development and its applications in pushing the boundaries of current technologies for a sustainable future.
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Abstract
La convergenza tra biologia, chimica ed elettrochimica ha dato vita al dinamico campo della bioelettrochimica. Questa disciplina sfrutta sistemi biologici, come enzimi e cellule, per tradurre processi biochimici in segnali elettrici e viceversa. Al centro della bioelettrochimica si trovano i bioelettrodi, che agiscono come interfacce tra la biologia e l'elettronica, essenziali nello studio, nella manipolazione e nello sfruttamento delle reazioni biologiche attraverso mezzi elettrochimici.
Questa tesi esplora lo sviluppo dei bioelettrodi per applicazioni biotecnologiche, un campo in rapida evoluzione con un vasto potenziale in ambito scientifico e tecnologico. I bioelettrodi utilizzano materiali biologici, come enzimi e cellule, per facilitare i processi di trasferimento degli elettroni, trovando applicazioni in biosensori, celle a combustibile biologiche, bioremediation e bioprocessi. L'immobilizzazione di molecole biologiche sulle superfici degli elettrodi è un aspetto fondamentale che consente una diversificata gamma di processi biotecnologici.
La dissertazione si concentra sugli studi di caratterizzazione delle ossidasi del rame e dei bioelettrodi basati su cellule batteriche, mirando a estendere le loro applicazioni, in particolare nella cattura del carbonio. La ricerca approfondisce l'indagine sulle ossidasi del rame che svolgono la riduzione dell'ossigeno e sui bioelettrodi basati su cellule batteriche abili nell'evoluzione dell'idrogeno e nella riduzione del CO2.
Nello studio sono state impiegate due approcci distinti: elettrodi modificati con enzimi, con enfasi sulla famiglia delle ossidasi multicopper per un possibile impiego nelle celle a combustibile biologiche, e elettrodi modificati con cellule, concentrandosi sulla batterio Desulfovibrio Vulgaris Hildenborough (DvH) e i suoi mutanti, utilizzandoli come catalizzatori viventi per reazioni riduttive.
L'obiettivo generale è stabilire un sistema bioelettrochimico altamente efficiente per la conversione del CO2 e l'evoluzione dell'H2, superando le attuali limitazioni tecnologiche. L'esito previsto è un contributo alle economie circolari, sfruttando i residui di rifiuti e mitigando le emissioni di carbonio attraverso approcci di chimica sostenibile e verde.
Nelle sezioni successive, la tesi fornisce una panoramica completa dei bioelettrodi, delle loro applicazioni in vari campi e una dettagliata esplorazione degli elettrodi modificati con enzimi, concentrandosi specificamente sulla famiglia delle ossidasi multicopper. La discussione si estende agli elettrodi modificati con cellule, mettendo in risalto il batterio DvH e i suoi mutanti, chiarificando il loro ruolo nella biocatalisi sostenibile.
Lo studio degli elettrodi modificati con enzimi approfondisce le complessità della catalisi enzimatica, con particolare attenzione agli enzimi estremofili, con un focus sulla famiglia delle ossidasi multicopper. La ricerca indaga il meccanismo di riduzione dell'ossigeno a acqua da parte delle ossidasi multicopper, svelando intuizioni cruciali per lo sviluppo dei bioelettrodi.
La seconda parte del lavoro si concentra su bioelettrodi più complessi che integrano cellule batteriche, in particolare DvH, per reazioni riduttive come l'evoluzione dell'H2 e la riduzione del CO2. Lo studio utilizza ceppi batterici wild-type e modificati, puntando a sistemi di conversione migliorati e selettivi. Vengono esplorate strategie di ingegneria per ottimizzare le vie metaboliche e migliorare il trasferimento degli elettroni per efficienti trasformazioni bioelettrochimiche.
In definitiva, questa tesi contribuisce al panorama in evoluzione della bioelettrochimica, offrendo intuizioni sullo sviluppo dei bioelettrodi e sulle loro applicazioni nel superare i limiti attuali delle tecnologie per un futuro sostenibile.
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