Biocélulas a combustível (BFCs) são definidas como dispositivos bioeletroquímicos que utilizam componentes biológicos, como enzimas ou microrganismos, para converter energia química em energia elétrica. Neste estudo, reporta-se o desenvolvimento de um bioeletrodo composto por fibras flexíveis de carbono (FFC) modificadas com a enzima álcool desidrogenase (ADH), o qual foi utilizado juntamente com a levedura Saccharomyces cerevisiae , sendo enzima e microrganismos usados como biocatalisadores cooperativos para bioprodução e oxidação de etanol. A glicose é oxidada pelas células de levedura sob condições anaeróbias, e o etanol formado pela fermentação alcóolica é, em seguida, oxidado a acetaldeído pela enzima ADH. A oxidação de etanol pela ADH resulta ainda, na redução da molécula de nicotinamida adenina dinucleotídeo, NAD+ a NADH. Posteriormente, o NADH formado nessa reação é eletroquimicamente oxidado a NAD+ na superfície do bioeletrodo de FFC baseado em ADH (FFC-ADH). Avaliou-se a influência da temperatura e do pH na bioeletrocatálise de etanol pela ADH e a melhor resposta obtida foi em 40 ºC e pH 8,5. Além disso, obteve-se uma excelente correlação linear entre os valores de concentração de etanol e densidade de corrente, indicando que a resposta bioeletrocatalítica da ADH é diretamente proporcional à concentração de etanol produzido a partir da fermentação. O conceito de que microrganismos e enzimas podem trabalhar cooperativamente para produzir uma nova classe de bioeletrodos, foi introduzido nesse trabalho. Por fim, demonstrou-se, que o bioeletrodo cooperativo pode ser aplicado com sucesso em uma BFC, utilizando o biocátodo de difusão de gás contendo a enzima bilirrubina oxidase (BOx) imobilizada em sua superfície. / Biofuel cells (BFCs) are defined as bioelectrochemical devices that use biological components, such as enzymes or microorganisms, to convert chemical energy into electric energy. In this study, we report the development of a bioelectrode composed of flexible carbon fibers (FCF) modified with the enzyme alcohol dehydrogenase (ADH) together with Saccharomyces cerevisiae yeast, being enzyme and microorganisms used as cooperative biocatalysts for bioproduction and oxidation of ethanol. Glucose is oxidized by the yeast cells in anaerobic conditions, and ethanol is produced through alcoholic fermentation and then it is oxidized to acetaldehyde by the ADH enzyme. The ethanol oxidation by ADH also results in the reduction of the nicotinamide adenine dinucleotide molecule, NAD+ to NADH. Subsequently, the NADH produced in this reaction is electrochemically oxidized to NAD+ on the surface of the FCF bioelectrode based on ADH (FCF-ADH). The influence of temperature and pH on the bioelectrocatalysis of ethanol was evaluated and the best performance was found at 40 ºC and pH 8.5. Additionally, the results demonstrated an excellent linear correlation between the ethanol concentration and the current generated, which indicates that the bioelectrocatalytic response of ADH is directly proportional to concentration of ethanol produced from the fermentation. The present study has introduced the concept that microorganisms and enzymes can work cooperatively to produce a new class of bioelectrodes. Finally, it has been demonstrated that the cooperative bioelectrode can be applied successfully to BFC using a gas-diffusion biocathode containing the bilirubin oxidase enzyme (BOx) immobilized on its surface.

A eletroquímica direta de enzimas redox depende da distância entre os sítios redox da proteína e a superfície do eletrodo e também da eficiência na imobilização dessas enzimas na superfície eletródica. Dessa forma, a obtenção de enzimas mais hidrofóbicas possibilita a melhora na interação entre elas e a superfície de eletrodos sólidos, como os de carbono. Neste estudo, foi desenvolvida uma rota para a obtenção da glicose oxidase oligomerizada (Ol-GOx) com o objetivo de melhorar a interação entre a enzima e a superfície de fibras de carbono, uma vez que enzimas oligomerizadas contêm suas porções hidrofóbicas expostas.Para tanto, diferentes ácidos de Brønsted foram utilizados, sendo que a enzima obtida a partir da reação com o ácido trifluorometanosulfônico (TFMS) foi a que se manteve ativa cataliticamente. A Ol-GOx se mostrou um biocatalisador promissor devido a sua hidrofobicidade e seu tamanho, os quais permitiram uma imobilização mais eficiente em superfícies de carbono. Após a caracterização estrutural, concluiu-se que a Ol-GOx é formada por um oligômero composto por 10 unidades de GOx nativa com raio hidrodinâmico de aproximadamente 96 nm. Por voltametria cíclica estudou-se a transferência direta de elétrons (TDE) entre o cofator dinucleotídeo de flavina e adenina (FAD) e a superfície das fibras de carbono, sendo observado um aumento de 7 vezes nas correntes faradaicas em relação ao obtido para a GOx nativa. Além disso, as propriedades bioeletrocatalíticas foram melhoradas em 30% quando analisada a oxidação da glicose. Concluiu-se ainda que quanto maior a quantidade de folhas-β presente na estrutura proteica, maior a TDE observada entre a enzima e a superfície das fibras de carbono. / The direct electrochemistry of redox enzymes is dependent on the distance between the active centers of the protein and the electrode surface, and also on the efficiency in the immobilization of these enzymes on the electrodic surface. Thus, the synthesis of more hydrophobic enzymes could lead to better interaction between the redox enzymes and the solid electrode surfaces, such as carbon electrodes. In this study, it was proposed a chemical route to obtain oligomerized glucose oxidase (Ol-GOx), aiming to improve the interaction between the enzyme and the surface of carbon fibers, since oligomerized proteins have their hydrophobic chains exposed. After structural characterization, it was concluded that Ol-GOx is formed by 10 dimeric units of native GOx with a hydrodynamic radius corresponding to approximately 96 nm. By cyclic voltammetry, it was studied the direct electron transfer (DET) between the flavin adenine dinucleotide (FAD) cofactor and the surface of carbon fibers, where it was observed an increase of 7-fold in the faradaic currents in comparison to that observed for native GOx. Besides, bioelectrocatalytic properties are 30% improved, when analyzed the glucose oxidation by cyclic voltammetry. It was also concluded that the greater the β-sheet content in protein structure, the higher the DET observed between the enzyme and the carbon fibers surface.