Las etapas de transferencia electrónica o transferencia de carga involucradas en reacciones electroquímicas juegan un papel muy importante en un gran número de procesos biológicos y bioquímicos. Hoy en día, el interés de la comunidad científica se centra en explorar y entender exhaustivamente la naturaleza biológica y química de los fenómenos bioelectroquímicos que ocurren en los seres vivos, con el objeto de mimetizarlos en el laboratorio. Los procesos bioelectrocatalíticos presentan un amplio abanico de aplicaciones dirigidas al: (i) desarrollo de biorreactores electroquímicos para la mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero, la eliminación de contaminantes presentes en aguas residuales y urbanas, o la síntesis de productos con alto valor añadido para la industria, (ii) el desarrollo de biopilas y biobaterías, y (iii) el desarrollo de (bio)sensores electroquímicos con fines analíticos. Sin embargo, la implantación en el mercado de dispositivos basados en procesos biocatalíticos aún se enfrenta a varios desafíos, como son la robustez, la estabilidad a largo plazo, la reproducibilidad y la rentabilidad de producción en términos de materiales y fabricación de los dispositivos electroquímicos. La motivación de esta tesis doctoral es la de enfrentarse a algunos de los desafíos con los que se encuentra hoy en día la bioelectrocatálisis, para ello esta tesis doctoral se centra, principalmente en el estudio de nuevos materiales y mejora de rutas y estrategias bioelectrocatalíticas, con la finalidad de desarrollar dispositivos electroquímicos con aplicaciones analíticas y en la obtención de productos de valor añadido. En primer lugar esta tesis doctoral recoge el estudio y desarrollo de (bio)sensores electroquímicos para la determinación de lactato, L-cisteína, peróxido de hidrógeno y pH en medios biológicos complejos, y en segundo lugar estudia la bioelectrosíntesis de ácido fórmico a través de la reducción bioelectroquímica de dióxido de carbono.

This thesis presents the development and redesign of a commercial electrochemical quartz crystal microbalance with dissipation (E–QCM–D). This was used to study factors affecting the efficiency of the four electron reduction catalysed by the fuel cell enzyme bilirubin oxidase from Myrothecium verrucaria immobilised on thiol modified gold surfaces. Within this thesis, the E–QCM–D was used to show that application of a constant potential to bilirubin oxidase adsorbed to thiol-modified gold surfaces causes activity loss that can be attributed to a change in structural arrangement. Varying the load by potential cycling distorts the enzyme by inducing rapid mass loss and denaturation. Attaching the enzyme covalently reduces the mass loss caused by potential cycling but does not mitigate activity loss. Covalent attachment also changes the orientation of the surface bound enzyme as verified by the position of the catalytic wave (related to the overpotential for catalysis) and reactive labelling followed by mass spectrometry analysis. The E–QCM–D was used to show how electrostatic interactions affect enzyme conformation where high pH causes a reduction in both mass loading at the electrode and a reduction in activity. At pH lower than the enzyme isoelectric point, there is a build up of multilayers in a clustered adsorption. When enzyme adsorbs to hydrophobic surfaces there is a rapid denaturation which completely inactivates the enzyme. Changing the surface chemistry from carboxyl groups to hydroxyl and acetamido groups shows that catalysis is shifted to more negative potentials as a result of an enzyme misorientation. Further to this, increasing the chain length of the thiol modifier indicates that an increased distance between surface and enzyme reduces activity, enzyme loading and results in a conformational rearrangement that permits electron transfer over longer distances.