An investigation of the interplay between in situ hydrogen peroxide production and catalytic efficiency in lytic polysaccharide monooxygenase reactions

Abstract

Lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) are mono-copper enzymes that catalyze oxidative depolymerization of recalcitrant carbohydrate substrates, such as chitin and cellulose. LPMOs have received much attention from academia and industry due to their remarkable ability to act on the crystalline surfaces of their target substrates, rather than on isolated polysaccharide chains. Despite a large amount of research, there are still many unknowns regarding the mechanism and kinetics of LPMO-catalyzed reactions. LPMOs were previously thought to use molecular oxygen as a co-substrate, but later it was shown that these enzymes prefer hydrogen peroxide, thus operating as peroxygenases rather than strict monooxygenases. Importantly, peroxygenase reactions are likely to occur even in the absence of exogenous hydrogen peroxide, since H2O2 can be produced in situ in most aerobic reaction set-ups with LPMOs, for example through oxidase activity of the LPMO itself. This study was focused on the complex interplay between H2O2-generating reactions and the catalytic efficiency of LPMOs acting on cellulose in the presence of oxygen and various low-molecular weight reductants.

Lytisk polysakkarid monooksygenaser (LPMOer) er mono-kobberenzymer som kan katalysere oksidativ depolymerisering av krystallinske substrater som kitin og cellulose. LPMOer er av høy interesse for både forskere og industri på grunn av deres unike evne til å virke på den krystallinske overflaten til substratene fremfor på de isolerte polysakkaridkjedene. Selv om mye forskning er gjennomført, er det fremdeles mye usikkerhet forbundet med mekanismen og kinetikken av LPMOkatalyserte reaksjoner. Opprinnelig trodde man at LPMOer benytter molekylært oksygen som ko-substrat, men i senere tid er det blitt vist at enzymene foretrekker hydrogenperoksid og at de derfor fungerer som peroksygenaser istedenfor monooksygenaser. Peroksygenasereaksjonen vil trolig skje selv ved fravær av tilsatt H2O2 fordi de fleste aerobe reaksjonsbetingelsene vil føre til at det dannes H2O2 in situ, for eksempel som følge av LPMOenes oksidaseaktivitet. Denne studien har satt søkelys på det komplekse samspillet mellom H2O2-genererende reaksjoner og den katalytiske effektiviteten til LPMOer som bryter ned cellulose i reaksjoner med oksygen og et utvalg av reduktanter.