Computational electrostatics of adsorbed glucose and bilirubin oxidases on electrodes: modeling and characterization of their preferential orientation

Abstract

Oxidoreductase enzymes play a central role in the development of bioelectrochemical devices, whose efficiency depends on how these macromolecules orient when adsorbed onto an electrode. This work models and characterizes the preferential orientation of glucose oxidase (GOx) and bilirubin oxidase (BOx) adsorbed on a flat electrode, evaluating their interaction energy against variations in pH (5, 7, and 9) and applied potential (±25.7 mV and 0 mV), by solving the linearized Poisson-Boltzmann equation through the boundary element method (BEM) with the software PyGBe. To automate the systematic sampling of orientations and the sequential execution of the simulations required for each condition, an automation code was developed, extending previous work from this same research line. For each condition studied, the Boltzmann-optimal orientation was identified, and the orientational sensitivity to both variables was quantified. Orientation consistently dominates over pH and, in most cases, over the applied potential; however, when comparing pH and potential directly, it is the potential that dominates in most conditions, a result opposite to that previously reported by similar studies, partly explained by methodological differences identified in those works. The macroscopic current does not necessarily follow the electrostatic preference of each enzyme. Although both favor the positive potential electrostatically, BOx reaches its maximum current under negative potential, consistent with the redox role of each enzyme in an enzymatic fuel cell. The local charge distribution near the electrode reinforces(...). Las enzimas oxidorreductasas cumplen un rol central en el desarrollo de dispositivos bioelectroquímicos, cuya eficiencia depende de la orientación con que estas macromoléculas se adsorben sobre un electrodo. Este trabajo modela y caracteriza la orientación preferencial de la glucosa oxidasa (GOx) y la bilirrubina oxidasa (BOx) adsorbidas sobre un electrodo plano, evaluando su energía de interacción frente a variaciones de pH (5, 7 y 9) y potencial aplicado (±25,7 mV y 0 mV), mediante la resolución de la ecuación de Poisson-Boltzmann linealizada a través del método de elementos de frontera (BEM) con el software PyGBe. Para automatizar el muestreo sistemático de orientaciones y la ejecución secuencial de las simulaciones requeridas por cada condición, se desarrolló un código de automatización, extendiendo trabajo previo de esta misma línea de investigación. Para cada condición estudiada se identificó la orientación Boltzmann-óptima y se cuantificó la sensibilidad orientacional frente a ambas variables. La orientación domina consistentemente sobre el pH y sobre el potencial aplicado en la mayoría de los casos; sin embargo, al comparar directamente pH y potencial, es el potencial quien domina en la mayoría de las condiciones, un resultado opuesto al reportado previamente por estudios similares, explicado en parte por asimetrías metodológicas identificadas en dichos trabajos. La corriente macroscópica no sigue necesariamente la preferencia electrostática de cada enzima, pese a que ambas favorecen electrostáticamente el potencial positivo; BOx alcanza su corriente máxima bajo potencial negativo, consistente con el rol redox de cada enzima en una celda de combustible enzimática. La distribución local de carga cerca del electrodo refuerza(...).