Improvement of enzyme systems for the efficient utilization of the hemicellulosic component of lignocellulosic biomass

Abstract

Leveraging the potential of plant biomass as a sustainable resource for industrial applications constitutes a significant pillar in the pursuit of green and sustainable technologies. However, the inherent heterogeneity and complexity of lignocellulosic biomass present formidable challenges to its widespread exploitation. This research underscores the pivotal role of enzymatic degradation and upgrading as a viable, eco-friendly approach to overcome these obstacles, focusing on the elucidation of novel enzymatic activities and specificities. Particularly, the consequential role of new enzymatic specificities in the biodegradation of lignocellulosic substrates was investigated, considering recent insights into the recalcitrant structural features of lignocellulose. Traversing an era that demands sustainable practices, this study attempts to optimize enzymatic systems, intending to pave the way for efficient, innovative strategies in biomass biodegradation, thereby amplifying the industrial applicability of enzymatic preparations and enabling a transition towards a more sustainable future. Within this context, focus was directed toward the bifunctional glucuronoxylanase/xylobiohydrolase TtXyn30A from the thermophilic fungus Thermothelomyces thermophila. The exploration of this novel catalytic activity primarily focused on elucidating the structural features attributing this unique catalytic activity. As a result, mutational and biochemical studies featured key amino acid residues within the catalytic cleft as pivotal for its bifunctional nature. Specifically, the Arg34 residue was suggested to be involved in substrate binding and its proper positioning within the catalytic cleft. However, unlike the corresponding conserved arginine found in other typical glucuronoxylanases, this particular residue did not participate in recognizing the glucuronic acid side-group. Additionally, Ser77 and His79 of the β2-α2 loop were identified as responsible for the xylobiohydrolase activity, interacting with the xylopyranosyl residue of the -2a subsite. Lastly, Glu233 is proposed to act as an alternative catalytic amino acid, accountable for minor catalytic activity following the neutralization of the proposed catalytic glutamates, implying its contribution to effective substrate positioning and catalysis. Subsequent experimental findings have provided significant insight into the catalytic mechanism of this relatively unexplored group of enzymes. Investigations into the activity of TtXyn30A focused on pretreated biomass, in combination with a xylan-active lytic polysaccharide monooxygenase (LPMO) from the AA14 family. The enzymes exhibited a synergistic relationship during the hydrolysis of pretreated beechwood samples, which contained low levels of hemicellulose. The hemicellulose in these samples is hypothesized to represent recalcitrant 2-fold xylan. LPMO appears to generate free non-reducing termini, specifically targeting the rigid regions of xylan that are in close proximity to crystalline cellulose microfibrils. These exposed ends subsequently serve as substrates for the xylobiohydrolase activity of TtXyn30A. Notably, this synergistic effect mirrors the one observed between cellulose-active LPMOs and cellobiohydrolases, implying a potential exploitation of similar cooperative mechanisms by microbes on various lignocellulose structures. Overall, the data suggests that these novel specificities play a significant role in the degradation of recalcitrant xylan. To further support the hypothesis that TtXyn30A is involved in degradation of recalcitrant xylan, research was directed to a thorough examination on the product profile of the xylanase when acting on acetylated glucuronoxylan. The intricate acetylated xylan structures of plant biomass, especially on alternating Xylp residues, were taken into consideration upon analyzing the results. In specific, TtXyn30A was shown to release acetylated xylobiose from pretreated lignocellulosic biomass. The released disaccharides could be acetylated at the 2-OH, 3-OH or both positions of the non-reducing end xylose. However, acetylation on the reducing end of xylobiose cannot be excluded. The synergy between TtXyn30A and acetyl esterases of different specificities indicates that particular subsites within the active site of the xylanase cannot tolerate acetylated xylopyranosyl residues. The product profile of TtXyn30A aligns with the acetylation pattern of two-fold xylan, enhancing the proposed role of the xylanase. Nevertheless, the synergistic interactions with acetyl esterases implies partial inhibition by acetyl groups, suggesting distinct acetylation patterns that can either fit the catalytic cleft or impede enzymatic activity. In the context of inhibition of xylanolytic enzymes by acetyl side groups, the impact of acetyl esterase activity was meticulously investigated, focusing on esterases of distinct specificities. For this cause, an acetyl esterase from the CE16 family, TtCE16B from T. thermophila, was heterologously expressed and characterized. The enzyme was identified as an exo-deacetylase, targeting primarily the non-reducing end of XOS. TtCE16B exhibited complementary activity to a CE6 xylan-acting deacetylase, achieving complete deesterification of acetylated polymeric xylan. Their activity was subsequently investigated alongside various xylanases of different families (GH10, GH11 and GH30) during the hydrolysis of pretreated beechwood biomass. Even though acetyl xylan esterase had a prominent effect on xylanase activities, the exo-deacetylase TtCE16B primarily enhanced activity of the non-reducing-end-acting β-xylosidase. These findings could offer insights for crafting hemicellulolytic enzyme mixtures of optimal performance. The activity of various xylanases from families GH10, GH11 and GH30, was subsequently investigated on more heterogeneous and intricate xylans, such as arabinoxylan and glucuronoarabinoxylan. Xylanases are severely inhibited in the presence of mono- and di-arabinofuranosyl residues. Given this, two arabinofuranosidases with complementary activities were studied on pretreated wheat and corn bran. Using a combination of these Abfs led to an increase in Araf release from lignocellulosic biomass. When combined with endo-xylanases, a mutual synergistic effect was observed, marked by an increase in both arabinose and XOS release. Either of the Abfs was able to unblock the xylobiohydrolase activity of TtXyn30A on arabinoxylan. The cooperative activity of the enzymes on glucuronoarabinoxylan not only led to the enhancement of the TtXyn30A endo-activity, but also amplified Araf release by the Abfs. In addition, a synergistic effect observed between Abfs and AcXEs underscores another critical factor to be taken into consideration when pursuing efficient biomass degradation. The final focal point of this work was set on the enzymatic degradation of LCC structures. Glycoside hydrolases in general were suggested to be inhibited by the esterification of MeGlcA to lignin, due to restricted accessibility on the substrate. For glucuronoxylanases in particular, assimilation of MeGlcA in lignin impedes their specific activity. Considering this, two fungal GEs were investigated on various lignocellulosic materials. It was demonstrated that the pretreatment method may affect the hydrolytic efficiency of GEs, suggesting a severe impact on LCC structures. Moreover, both GEs exhibited catalytic activity on recalcitrant LCC structures of enzymatically treated biomass. Finally, GEs exhibited distinct synergistic effects with different xylanases, depending on the substrate’s origin and composition. This observation further underpins the significance of the tailored enzymatic mixtures that target lignocellulosic substrates of particular compositional and structural characteristics. Overall, this thesis aims to provide new insight into the potential of novel biocatalysts, whether they target xylan or exhibit auxiliary functionalities, in the biodegradation of elaborate lignocellulosic structures. In addition, this work aims to underscore the pivotal role of the cooperative activity of diverse catalytic activities to enable an efficient biomass bioconversion into value-added compounds, all within the paradigm of circular bioeconomy.

Η αξιοποίηση του δυναμικού της φυτικής βιομάζας ως ανανεώσιμη πρώτη ύλη για βιομηχανικές εφαρμογές αποτελεί σημαντικό πυλώνα για την επίτευξη “πράσινων” και βιώσιμων τεχνολογιών. Ωστόσο, η εγγενής ετερογένεια και η πολυπλοκότητα της λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας αποτελούν πρόκληση για την ευρεία εκμετάλλευσή της. Η παρούσα έρευνα επισημαίνει τον κομβικό ρόλο της ενζυμικής αποικοδόμησης της φυτικής βιομάζας ως μια βιώσιμη, φιλική προς το περιβάλλον προσέγγιση για την υπέρβαση αυτών των εμποδίων, εστιάζοντας στη διαλεύκανση νέων ενζυμικών δραστηριοτήτων και εξειδικεύσεων. Ειδικότερα, διερευνήθηκε ο σημαίνων ρόλος καινοτόμων ενζυμικών δράσεων στη βιοαποικοδόμηση λιγνινοκυτταρινούχων υποστρωμάτων, λαμβάνοντας υπόψη τις πρόσφατες γνώσεις σχετικά με τα ανθεκτικά δομικά χαρακτηριστικά της λιγνινοκυτταρίνης. Διανύοντας μια εποχή που απαιτεί βιώσιμες πρακτικές, η παρούσα μελέτη επιχειρεί να βελτιστοποιήσει τα ενζυμικά συστήματα, με σκοπό να συμβάλλει στην αποτελεσματικότερη βιοαποικοδόμηση της βιομάζας, ενισχύοντας έτσι την αξιοποίηση των ενζυμικών παρασκευασμάτων στο πλαίσιο την βιομηχανικής βιοτεχνολογίας και επιτρέποντας τη μετάβαση προς ένα πιο βιώσιμο μέλλον.Στο πλαίσιο αυτό, η προσοχή εστιάστηκε στη δι-λειτουργική γλυκουρονο-ξυλανάση/ξυλοβιοϋδρολάση TtXyn30A από τον θερμόφιλο μύκητα Thermothelomyces thermophila. Η διερεύνηση της νέας αυτής διπλής καταλυτικής ενεργότητας επικεντρώθηκε κυρίως στη διαλεύκανση των δομικών χαρακτηριστικών που αποδίδουν αυτή τη μοναδική καταλυτική δραστηριότητα. Ως εκ τούτου, μέσω σημειακών μεταλλάξεων και βιοχημικών μελετών αναδείχθηκαν βασικά κατάλοιπα αμινοξέων εντός του ενεργού κέντρου ως καθοριστικά για τη δι-λειτουργική φύση του ενζύμου. Συγκεκριμένα, το κατάλοιπο Arg34 προτάθηκε ότι εμπλέκεται στη δέσμευση του υποστρώματος και στη σωστή τοποθέτησή του εντός της καταλυτικής σχισμής. Ωστόσο, σε αντίθεση με την αντίστοιχη συντηρημένη αργινίνη που απαντάται σε άλλες κλασσικές γλυκουρονοξυλανάσες, το συγκεκριμένο κατάλοιπο δεν συμμετείχε στην αναγνώριση της πλευρικής ομάδας γλυκουρονικού οξέος. Επιπλέον, τα αμινοξέα Ser77 και His79 του βρόχου β2-α2 συνεισφέρουν στην ενεργότητα ξυλοβιοϋδρολάσης, αλληλοεπιδρώντας με το κατάλοιπο ξυλοπυρανοζης στην υποπεριοχή -2a του ενεργού κέντρου. Τέλος, το αμινοξύ Glu233 προτείνεται ότι δρα ως εναλλακτικό καταλυτικό αμινοξύ, υπεύθυνο για τη παράπλευρη καταλυτική δραστηριότητα μετά την αντικατάσταση των προτεινόμενων καταλυτικών γλουταμινικών οξέων με αλανίνη, υποδηλώνοντας τη συμβολή του στην αποτελεσματική σύνδεση ενζύμου-υποστρώματος και την κατάλυση. Τα πειραματικά ευρήματα παρείχαν σημαντικές πληροφορίες για τον καταλυτικό μηχανισμό αυτής της σχετικά ανεξερεύνητης ενζυμικής ενεργότητας.Η μελέτη σχετικά με τη δραστικότητα της ξυλανάσης TtXyn30A επικεντρώθηκε στην προκατεργασμένη βιομάζα, σε συνδυασμό με μια λυτική μονοοξυγενάση των πολυσακχαριτών από την οικογένεια AA14. Τα ένζυμα παρουσίασαν συνεργιτική σχέση κατά την υδρόλυση προκατεργασμένων δειγμάτων οξιάς, τα οποία περιείχαν χαμηλά επίπεδα ημικυτταρίνης. Η ημικυτταρίνη σε αυτά τα δείγματα υποτίθεται ότι αντιπροσωπεύει την ανθεκτική ξυλάνη με επίπεδη αναδίπλωση της αλυσίδας. Η μονοοξυγενάση φαίνεται να δημιουργεί ελεύθερες μη αναγωγικές πολυμερικές απολήξεις, στοχεύοντας ειδικά στις άκαμπτες περιοχές της ξυλάνης που βρίσκονται σε επαφή με κρυσταλλικά μικροϊνίδια κυτταρίνης. Αυτά τα εκτεθειμένα άκρα χρησιμεύουν στη συνέχεια ως υποστρώματα για την ενεργότητα ξυλοβιοϋδρολάσης της TtXyn30A. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτή η συνεργιτική επίδραση αντικατοπτρίζει εκείνη που παρατηρείται μεταξύ των μονοοξειδασών με εξειδίκευση στην κυτταρίνη και των κελλοβιοϋδρολασών, υποδηλώνοντας μια πιθανή εκμετάλλευση παρόμοιων συνεργιτικών μηχανισμών από τα μικροβιακά συστήματα σε διαφορετικές δομές λιγνινοκυτταρίνης. Συνολικά, τα δεδομένα υποδηλώνουν ότι αυτές οι νέες ειδικότητες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην αποικοδόμηση της ανθεκτικής ξυλάνης.Προκειμένου να διερευνηθεί περαιτέρω η υπόθεση ότι η ξυλανάση TtXyn30A εμπλέκεται στην αποικοδόμηση της ανθεκτικής ξυλάνης, η έρευνα κατευθύνθηκε στην ενδελεχή εξέταση του προφίλ των προϊόντων της ξυλανάσης όταν δρα σε φυσικά υποστρώματα με ακετυλιωμένη γλυκουρονοξυλάνη. Κατά την ανάλυση των αποτελεσμάτων ελήφθησαν υπόψη πρόσφατα ευρήματα αναφορικά με τη σύνθεση της ακετυλιωμένης ξυλάνης της φυτικής βιομάζα, όπως το μοτίβο ακετυλίωσης σε κάθε δεύτερη ξυλοπυρανόζη. Συγκεκριμένα, η TtXyn30A αποδείχθηκε ότι απελευθερώνει ακετυλιωμένη ξυλοβιόζη από προκατεργασμένη λιγνινοκυτταρινούχα βιομάζα. Οι απελευθερωμένοι δισακχαρίτες δυνητικά φέρουν μονή ή διπλή ακετυλίωση στις θέσεις 2-OH, 3-OH του μη αναγωγικού άκρου της ξυλοβιόζης. Ωστόσο, δεν μπορεί να αποκλειστεί η ακετυλίωση στο αναγωγικό άκρο αυτής. Η συνέργεια μεταξύ της TtXyn30A και εστερασών του οξικού οξέος διαφορετικής εξειδίκευσης υποδεικνύει ότι συγκεκριμένες υποπεριοχές εντός του ενεργού κέντρου της ξυλανάσης δεν μπορούν να ανεχθούν ακετυλιωμένα υπολείμματα ξυλοπυρανοσυλίων. Το προφίλ των προϊόντων της TtXyn30A ευθυγραμμίζεται με το πρότυπο ακετυλίωσης της ανθεκτικής ξυλάνης, ενισχύοντας τον προτεινόμενο ρόλο της ξυλανάσης. Ωστόσο, οι συνεργιτικές αλληλεπιδράσεις με τις εστέρασες του οξικού υποδηλώνουν μερική αναστολή από τις υποκαταστάσεις οξικού, υποδηλώνοντας διακριτά μοτίβα ακετυλίωσης που μπορούν είτε να φιλοξενούνται στο ενεργό κέντρο είτε να παρεμποδίζουν την ενζυμική δραστηριότητα. Στο πλαίσιο της παρεμπόδισης των ξυλανολυτικών ενζύμων από πλευρικές υποκαταστάσεις οξικού, διερευνήθηκε η επίδραση της ενεργότητας εστερασών του οξικού οξέος, εστιάζοντας σε εστεράσες με διαφορετική εξειδίκευση ως προς το υπόστρωμα. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκε η ετερόλογη έκφραση και ο χαρακτηρισμός της TtCE16B εστεράσης του οξικού της οικογένειας CE16 από τον μύκητα T. thermophila. Το ένζυμο προσδιορίστηκε ως εξω-αποακετυλάση, στοχεύοντας κυρίως στο μη αναγωγικό άκρο ολιγοσακχαριτών. Η TtCE16B παρουσίασε συμπληρωματική δραστικότητα σε σχέση με μια εστεράση της οικογένειας CE6, η οποία εμφανίζει δράση στην ξυλάνη, επιτυγχάνοντας πλήρη αποεστεροποίηση της ακετυλιωμένης ξυλάνης. Η δραστηριότητά τους διερευνήθηκε στη συνέχεια μαζί με διάφορες ξυλανάσες διαφορετικών οικογενειών (GH10, GH11 και GH30) κατά την υδρόλυση προκατεργασμένου ξύλου οξιάς. Παρόλο που η CE6 εστεράση είχε εξέχουσα επίδραση στις ένδο-ξυλανάσες, η έξω-δράση της TtCE16B ενίσχυσε κυρίως τη δράση ξυλοζιδάσης, η οποία στοχεύει το μη αναγωγικό άκρο ολιγοσακχαριτών. Τα ευρήματα αυτά θα μπορούσαν να προσφέρουν χρήσιμες πληροφορίες για τη δημιουργία μιγμάτων ημικυτταρινολυτικών ενζύμων βέλτιστης απόδοσης. Η δραστικότητα διαφόρων ξυλανασών των οικογενειών GH10, GH11 και GH30 διερευνήθηκε στη συνέχεια σε πιο ετερογενείς και περίπλοκες ξυλάνες, όπως η αραβινοξυλάνη και η γλυκουρονοαραβινοξυλάνη. Οι ξυλανάσες παρεμποδίζονται ισχυρά παρουσία μονο- και δι-υποκαταστάσεων αραβινοφουρανοσυλίων. Λαμβάνοντας υπόψη αυτό, μελετήθηκαν δύο αραβινοφουρανοζιδάσες με συμπληρωματική εξειδίκευση σε προκατεργασμένο πίτουρο σιταριού και καλαμποκιού. Η συνδυασμένη δράση αυτών των αραβινοφουρανοζιδασών οδήγησε σε αύξηση της απελευθέρωσης αραβινόζης από τη λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζα. Κατά την ταυτόχρονη δράση των αραβινοφουρανοζιδασών με ενδοξυλανάσες, παρατηρήθηκε μια αμοιβαία συνεργιτική επίδραση, η οποία χαρακτηρίστηκε από αύξηση τόσο στην απελευθέρωση αραβινόζης όσο και ξυλοολιγοσακχαριτών. Καθεμία από τις αραβινοφουρανοζιδάσες, και ιδίως ο συνδυασμός τους, ήταν σε θέση να απελευθερώσουν τη δραστικότητα ξυλοβιοϋδρολάσης της TtXyn30A στην αραβινοξυλάνη, ενώ η συνεργιτική τους δράση στην γλυκουρονοαραβινοξυλάνη όχι μόνο οδήγησε στην ενίσχυση της ενδο-δραστηριότητας της TtXyn30A, αλλά και στην ενίσχυση της απελευθέρωσης αραβινόζης. Επιπλέον, η συνεργιτική δράση που παρατηρήθηκε μεταξύ των αραβινοφουρανοζιδασών και των εστερασών του οξικού οξέος φανερώνει ακόμα ένα κρίσιμο παράγοντα που χρειάζεται να λαμβάνεται υπόψη για την αποτελεσματικής αποικοδόμησης της βιομάζας.Το τελικό σημείο εστίασης της εργασίας αυτής ήταν η ενζυμική αποικοδόμηση των συμπλεγμάτων λιγνίνης-ημικυτταρίνης. Οι γλυκοζιδικές υδρολάσες εν γένει προτάθηκε ότι παρεμποδίζονται από την εστεροποίηση του γλυκουρονικού οξέος της ημικυτταρίνης με τα αρωματικά μόρια της λιγνίνης, λόγω της περιορισμένης προσβασιμότητας στο υπόστρωμα. Ειδικότερα για τις γλυκουρονοξυλανάσες, η δέσμευση του γλυκουρονικού οξέος στη λιγνίνη παρεμποδίζει την ειδική ενεργότητας τους. Λαμβάνοντας υπόψη αυτό, διερευνήθηκαν δύο μυκητιακές εστεράσες του γλυκουρονικού σε διάφορα λιγνινοκυτταρινούχα υλικά. Αποδείχθηκε ότι η μέθοδος προκατεργασίας μπορεί να επηρεάσει την αποτελεσματικότητα των εστερασών, γεγονός που υποδηλώνει σοβαρή επίδραση της μεθόδου στα συμπλέγματα ημικυτταρίνης-λιγνίνης. Επιπλέον, και οι δύο γλυκουρονικές εστεράσες παρουσίασαν καταλυτική δράση σε ανθεκτικές δομές λιγνίνης-ημικυτταρίνης σε ενζυμικά επεξεργασμένη βιομάζα. Τέλος, οι εστεράσες παρουσίασαν διακριτές συνεργιτικές σχέσεις με διαφορετικές ξυλανάσες, ανάλογα με την προέλευση και τη σύνθεση του υποστρώματος. Η παρατήρηση αυτή υπογραμμίζει περαιτέρω τη σημασία των προσαρμοσμένων ενζυμικών μειγμάτων που στοχεύουν σε λιγνινοκυτταρινούχα υποστρώματα με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά σύστασης και δομής. Συνολικά, η παρούσα διατριβή αποσκοπεί στη συνεισφορά νέας γνώσης σχετικά με τις δυνατότητες των νέων βιοκαταλυτών, είτε στοχεύουν στην αλυσίδα της ξυλάνης είτε παρουσιάζουν βοηθητικές ενεργότητες, στη βιοαποικοδόμηση περίπλοκων λιγνινοκυτταρινικών δομών. Επιπλέον, η εργασία αυτή στοχεύει να αναδείξει τον καθοριστικό ρόλο της συνεργιτικής δράσης ποικίλων καταλυτικών δραστηριοτήτων για την αποτελεσματική βιομετατροπή της βιομάζας σε ενώσεις προστιθέμενης αξίας, και όλα αυτά στο πλαίσιο του παραδείγματος της κυκλικής βιοοικονομίας.