Light-driven lytic polysaccharide monooxygenase (LPMO)-catalyzed solubilization of polysaccharides

Abstract

Lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) are a recently discovered family of enzymes that catalyze oxidative cleavage of glycosidic bonds in insoluble polysaccharides at a liquid-solid interface. These enzymes are important for solubilization of crystalline polysaccharides, such as cellulose and chitin, which are key structural elements in plant cell walls and arthropod exoskeletons, respectively. Plant cell walls and insect exoskeletons are co-polymeric structures where cellulose and chitin are closely associated with photoredox-active phenolic compounds. Photodegradation of these phenolic compounds has been suggested to explain the observed enhancement of microbial decomposition of plant litter upon exposure to sunlight. The work presented in this thesis focused on studying the impact of light on LPMO activity with the aims of using photoredox catalysts for fine tuning of LPMO activity and obtaining a better understanding of the impact of light on turnover of biomass in Nature. The interplay between LPMOs, photoredox-active phenolic compounds present in natural LPMO substrates, and light led us to propose a possible enzymatic explanation for why light promotes microbial decomposition of biomass.

Paper I – Controlled depolymerization of cellulose by light-driven lytic polysaccharide oxygenases. Paper I revisits light-driven LPMO reactions published prior to the discovery that LPMOs depend on hydrogen peroxide for catalysis, with the goal of determining the involvement of reactive oxygen species in these reactions. The results show that the catalytic activity of our model LPMO, AA10C from Streptomyces coelicolor, is dependent on H2O2 produced by light-exposed chlorophyllin or vanadium-doped titanium dioxide (V-TiO2). For the chlorophyllin reaction system, we demonstrate that superoxide, O2•-, is generated and suggest that this radical is the most likely reducing agent for the LPMO in this system. In the V-TiO2 reaction system, O2•- does not appear to play a role and we suggest that the LPMO is reduced on the surface of the photoredox catalyst. Overall, this study highlights the importance of controlling the flux of reactive oxygen if one is to achieve stable enzymatic turnover of crystalline polysaccharides by LPMOs.

Paper II – Visible light-exposed lignin facilitates cellulose solubilization by lytic polysaccharide monooxygenases. Paper II explores the use of lignin to fuel LPMO catalytic activity and how visible light impacts lignin-driven LPMO activity. The results show enhanced LPMO activity in lignin-driven reactions when these are exposed to visible light, and indicate that the ability of lignin to photocatalytically generate H2O2 determines LPMO efficiency. Consequently, using lignin as photoredox catalyst enables fine tuning of LPMO activity by regulating production of H2O2. Direct interaction between a large lignin polymer and the copper active site of LPMOs is demonstrated, which shows that LPMOs can oxidize lignin like other lignin-active enzymes, such as ligninolytic peroxidases and laccases. NMR analysis of light-exposed lignin revealed light-induced oxidation of ring-conjugated unsaturated carbon double bonds resulting in an increased number of cinnamaldehyde end groups. Taken together, these results indicate that the observed boosting effect of light on microbial decomposition of plant litter may have an “enzymatic” explanation, as irradiation of lignin under aerobic conditions leads to the formation of a crucial co-substrate for LPMOs and redox enzymes involved in turning over biomass.

Paper III – Natural photoredox catalysts promote light-driven lytic polysaccharide monooxygenase reactions and enzymatic turnover of biomass. Paper III builds on the idea from Paper II that redox active phenolic compounds naturally present in biomass enhance LPMO-activity when exposed to visible light. This paper demonstrates the ability of redox-active phenolic compounds in insect biomass, i.e., catecholamines, to photocatalytically reduce O2 to H2O2 to fuel LPMO reactions. The results show that the LPMO activity is correlated with light-promoted in situ H2O2 generation and that the LPMO activity is inhibited by a competing H2O2-consuming enzyme. Importantly, LPMO-catalyzed solubilization of the chitin present in the insect biomass by a chitin-active LPMO was faster when the reaction was exposed to visible light. These results support the idea that the impact of light on biomass conversion in Nature relates to a boosting effect on the activity of biomass-converting redox enzymes, and that the light effect is not necessarily limited to increased availability of polysaccharides that results from photodegradation of phenolic compounds.

Lytisk polysakkaridmonooksygenaser (LPMOer) er en nylig oppdaget enzymfamilie som katalyserer oksidativt brudd av glykosidbindinger i uløselige polysakkarider i grenseflaten mellom et fast stoff og en væske. Disse enzymene er essensielle for å løseliggjøre krystallinske polysakkarider, slik som cellulose og kitin, som spiller en strukturell nøkkelrolle i oppbyggingen av cellevegger hos planter og eksoskjeletter hos leddyr. Plantecellevegger og insekters eksoskjelett er kopolymere strukturer hvor cellulose og kitin finnes nært forbundet med fotoredoksaktive fenolforbindelser. Fotonedbrytning av disse fenolforbindelsene har blitt foreslått som en forklaring på hvorfor mikrobiell nedbrytning av plantemateriale forbedres når det eksponeres for sollys. Arbeidet i denne avhandling har fokusert på å studere hvordan lys påvirker LPMO-aktivitet med mål om å bruke fotoredokskatalysatorer til å kontrollere LPMO-aktivitet, og å oppnå en bedre forståelse av hvordan lys bidrar til nedbrytning av biomasse i naturen. Det observerte samspillet mellom LPMOer, fotoredoksaktive fenolforbindelser som finnes i naturlige LPMO-substrater, og lys førte til at vi foreslår en mulig enzymatisk forklaring på hvorfor lys fremmer mikrobiell nedbrytning av biomasse.

Artikkel I – Kontrollert depolymerisering av cellulose av lysdrevet lytisk polysakkaridmonooksygenaser. Artikkel I gjennomgår lysdrevne LPMO-reaksjoner som ble publisert i forkant av oppdagelsen om at LPMOer bruker H2O2 for sin katalytiske aktivitet på nytt med mål om å bestemme om reaktive oksygenforbindelser er involvert for å fremme LPMO-aktivitet i disse systemene. Vi viser at aktiviteten til vår modell-LPMO, AA10C fra Streptomyces coelicolor, avhenger av H2O2 produsert av lys-eksponert klorofyllin eller vanadium-dopet titandioksid (V-TiO2). For klorofyllin viser vi at superoksid, O2•-, dannes og er den mest sannsynlige reduktanten for LPMOen i dette systemet. Med V-TiO2 som fotoredokskatalysator finner vi ingen tegn på at det dannes O2•-. Samlet sett viser denne studien hvor viktig det er å kontrollere strømmen av reaktive oksygenforbindelser for å oppnå stabil enzymkatalysert løseliggjøring av krystallinske polysakkarider og nødvendigheten av å bruke tidsserier fremfor et enkelt tidspunkt for å forstå de underliggende mekanismene som styrer den katalytiske aktiviteten til LPMOer i lysdrevne LPMO-reaksjoner.

Artikkel II – Synlig lys-eksponert lignin fasiliterer løseliggjøring av cellulose av lytisk polysakkaridmonooksygenaser. Artikkel II utforsker bruken av lignin for å fremme LPMO-aktivitet og hvordan denne påvirkes av synlig lys. Resultatene viser økt LPMO-aktivitet i lignin-drevne reaksjoner når disse blir eksponert for synlig lys og indikerer at ligninets evne til å fotokatalytisk danne H2O2 bestemmer LPMOens effektivitet. Konsekvensens av dette er at lignin kan brukes som en fotoredokskatalysator for å kontrollere LPMO-aktivitet ved å skreddersy H2O2-mengden som dannes. Direkte interaksjon mellom en ligninpolymer og kobberet i det aktive setet i LPMOer demonstreres og viser at LPMOer kan oksidere lignin tilsvarende andre ligninaktive-enzymer, som ligninaktive-peroksidaser og lakkaser. NMR-analyse av lyseksponert lignin avslørte at synlig lys forårsaker oksidasjon av karbon-karbon dobbeltbindinger som er konjugert med de aromatiske ringsystemene i ligninet og fører til en økning i antall kanelaldehydendegruppemotiver. Til sammen tyder disse resultatene på at forsterkereffekten av lys på mikrobiell nedbrytning av plantemateriale også kan ha en enzymatisk forklaring, ettersom lysbestråling av lignin under aerobe forhold fører til dannelse av kosubstrat for LPMOer og andre redoksenzymer som er involvert i nedbrytning av biomasse.

Artikkel III – Naturlig forekommende fotoredokskatalysatorer fremmer lysedrevne lytisk polysakkaridmonooksygenase-reaksjoner og enzymatisk nedbrytning av biomasse. Artikkel III bygger på idéen fra Artikkel II om at naturlig forekommende redoksaktive fenolforbindelser i biomasse bidrar til økt LPMO-aktivitet når disse blir utsatt for synlig lys. Denne artikkelen demonstrerer evnen hos redoksaktive fenolforbindelser i insektsbiomasse til å fotokatalytisk redusere O2 til H2O2 for å fremme LPMO-reaksjoner. Resultatene viser at LPMO-aktiviteten er korrelert med lys-fremmet in situ dannelse av H2O2 og at LPMO-aktiviteten hemmes av et konkurrende H2O2-avhengig enzym. Det er viktig å påpeke at LPMO-katalysert løseliggjøring av kitin fra insektsbiomasse med en kitinaktiv LPMO var raskere når reaksjonen ble eksponert for synlig lys. Disse resultatene støtter idéen om at lyset påvirker omdannelse av biomasse i naturen ved en forsterkereffekt på aktiviteten til redoksenzymene som omdanner biomasse, og at lyseffekter ikke nødvendigvis er begrenset til økt tilgang på polysakkaridene som følge av fotonedbrytning av fenolforbindelser.