Discovery of novel lytic polysaccharide monooxygenases and their application in nanocellulose production from residual plant biomass

Abstract

This thesis investigates the role of lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs), a unique class of copper-dependent enzymes essential for the enzymatic breakdown of plant biomass, and their role in the production of nanocellulose. The study begins with the expression and biochemical characterization of novel LPMOs from the AA9 and AA16 families, identified within the CAZy database. These enzymes, sourced from Thermothelomyces thermophilus and designated as TthLPMO9G and TtLPMO16A respectively, display novel activities that facilitate the oxidative cleavage of cellulose and hemicellulose. Experiments in this study has enhanced the understanding of LPMOs' activities, including monoxygenase/peroxygenase, peroxidase, and oxidase functions within the oxidoreductase enzyme group. The AA16 family, a newly identified group of enzymes, has been found to possess a unique oxidative activity on xylan substrates. This discovery is notable as it represents a novel capability that has not been previously documented in the literature. Additionally, LPMO protein engineering through single point mutations has provided insights into the active site interaction with electron donors, hydrogen peroxide and polysaccharides. The application of LPMOs for nanocellulose production has been also demonstrated, indicating that LPMO utillization on residual plant material can eliminate the need for traditional mechanical or chemical processing steps. Nanocellulose, a high-value biomaterial, is emerging as a potential base polymer that can replace petroleum-based plastic materials. The synergistic use of LPMOs with cellulolytic and hemicellulolytic enzymes produces high-quality, well-dispersed nanocellulose from pretreated residual plant biomass. In conclusion, this thesis contributes to the basic understanding of LPMO functions and sets the stage for their use in sustainable material science applications. The effects of LPMOs and other enzymes are suggested as a foundation for future industrial processes that valorize plant biomass, an important shift toward a sustainable bio-economy.

Η παρούσα διατριβή εστίασε στην μελέτη των λυτικών μονοoξυγενασών των πολυσακχαριτών (LPMOs), μίας κατηγορίας μεταλλοενζύμων που συμμετέχουν στην οξειδωτική διάσπαση της φυτικής βιομάζας και την εφαρμογή αυτών στην απομόνωση νανοκυτταρίνης από την υπολλειμματική φυτική βιομάζα. Αρχικά, η έρευνα εστίασε στην ετερόλογη έκφραση και βιοχημική ανάλυση νέων LPMOs, με έμφαση στις οικογένειες AA9 και AA16, της βάσης δεδομένων CAZy που περιλαμβάνει όλα τα ένζυμα που δρουν στους υδατάνθρακες. Τα ένζυμα που επιλέχτηκαν, προέρχονται από το θερμόφιλο μύκητα Thermothelomyces thermophilus και ονομάστηκαν TthLPMO9G και TtLPMO16A, αντίστοιχα. Ύστερα από τον βιοχημικό χαρακτηρισμό τους, αποκαλύφθηκε ότι διαθέτουν την ικανότητα να αναγνωρίζουν υποστρώματα κυτταρίνης και της ημικυτταρίνης και να πραγματοποιούν την οξειδωτική διάσπαση τους. Συγκεκριμένα για την οικογένεια ΑΑ16, αποκαλύφθηκε η ικανότητα οξειδωτικής διάσπασης σε υποστρώματα ξυλάνης, κάτι που αναφέρεται για πρώτη φορά στην βιβλιογραφία. Η έρευνα εμβάθυνε στην κατανόηση των ενεργοτήτων των LPMOs, συμπεριλαμβανομένων των λειτουργιών μονοoξυγενάσης / περοξυγενάσης, περοξειδάσης και οξειδάσης, ενισχύοντας τη γνώση για αυτά τα ένζυμα στο ευρύτερο πλαίσιο των οξειδοαναγωγικών ενζύμων. Επιπλέον, μέσω πρωτεινικής μηχανικής και σημειακών μεταλλάξεων αποκάλύφθηκαν νέες πληροφορίες σχετικά με τις αλληλεπιδράσεις του ενεργού κέντρου με το υποστρώμα του πολυσακχαρίτη καθώς και με το υπεροξείδιο και τους δότες ηλεκτρονίων. Στη συνέχεια μελετήθηκε η εφαρμογή των LPMOs στην παραγωγή νανοκυτταρίνης από προκατεργασμένη φυτική βιομάζα, όπου αποκαλύφθηκε ότι η μεσολάβηση μίας ενζυμική διεργασίας μπορεί να παρακάμψει την ανάγκη για συμβατικές μηχανικές ή χημικές διεργασίες. Η νανοκυτταρίνη, ένα βιο-πολυμερές υψηλής προστιθέμενης αξίας, δύναται να αντικαταστήσει τα πετροχημικά στην βιομηχανία πλαστικών. Η χρήση των LPMOs σε συνδυασμό με άλλα υδρολυτικά ένζυμα έχει αξιοποιηθεί για την παραγωγή νανοκυτταρίνης υψηλής ποιότητας. Συνοψίζοντας, αυτή η διατριβή συμβάλλει στη βασική κατανόηση της δράσης των LPMOs και έχει προάγει την εφαρμογή νέων τεχνολογιών στη βιώσιμη επιστήμη υλικών. Η προσθήκη οξειδωτικών ένζύμων όπως οι LPMOs σε εμπορικά μείγματα που ηδη αξιοποιούνται στη βιομηχανία, είναι σημαντική για την ανάπτυξη διεργασιών που στοχεύουν στην αξιοποίηση της φυτικής βιομάζας, σηματοδοτώντας ένα σημαντικό βήμα προς τη μετάβαση στη βιώσιμη βιοοικονομία.