Poisson-Boltzmann approach to the bioelectrochemistry of adsorbed enzymes

This thesis presents a computational study implementing Poisson-Boltzmann approach to investigate how variations in pH and applied potential influence the bioelectrochemistry of enzymes adsorbed on electrodes. It examines the adsorption of two biomolecules, both of them largely employed in glucose-based enzymatic fuel cells: glucose oxidase, responsible for the glucose oxidation, and bilirubin oxidase that catalyzes the simultaneous reduction of molecular oxygen. This study uses finite difference method-based Poisson-Boltzmann equation solvers to analyze the correlation between the electrostatic environment and enzyme orientation at the bioelectrode interface. Results demonstrate how both pH and electrode potential affect the electrostatic interactions governing enzyme adsorption, thereby affecting electron transfer processes and overall catalytic efficiency. This work aims to provide insights into optimizing the operational conditions for enzymatic fuel cells and to provide a deeper understanding of the fundamental mechanisms underlying bioelectrochemical systems and enzymatic physical adsorption.

Questa tesi presenta un'analisi computazionale utilizzando il modello di Poisson-Boltzmann per analizzare l'influenza delle variazioni del pH e del potenziale applicato sulla biolettrochimica di enzimi assorbiti sulla superficie di un elettrodo. In particolare è stato studiato l'assorbimento di due biomolecole, entrambe largamente impiegate nelle celle a combustibile enzimatiche al glucosio: glucosio ossidasi, responsabile dell'ossidazione del glucosio e la bilirubina ossidasi, che catalizza la conseguente riduzione dell'ossigeno molecolare. Questo lavoro si basa su risolutori dell'equazione di Poisson-Boltzmann che utilizzano il metodo delle differenze finite per caratterizzare il legame tra l'ambiente esterno e l'orientazione dell'enzima sulla superficie dell'elettrodo. I risultati dimostrano come sia il pH che il potenziale dell'elettrodono influenzino le interazioni elettrostatiche che controllano l'assorbimento dell'enzima, influenzandone il processo di trasferimento elettronico e l'efficienza catalitica. Questa tesi si propone di fornire idee per ottimizzare le condizioni operative per le celle a combustibile enzimatiche e offrire una migliore comprensione dei meccanismi fondamentali dei sistemi bioelettrochimici e dell'assorbimento fisico degli enzimi.