Investigating molecular determinants of lytic polysaccharide monooxygenase (LPMO) reactions
Abstract
Lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) are mono-copper enzymes that can activate inert C-H bonds in polysaccharides with bond energies close to 100 kcal∙mol-1. This capability has sparked interest in the use of LPMOs for degradation of biomass, such as cellulose and chitin, and provided inspiration to the field of biomimetic inorganic catalysis. Despite major research efforts since the discovery of LPMOs, the reaction mechanism of these enzymes and the intermediates generated during catalysis remain partly unknown. One reason for this, is that depending on the reaction conditions, multiple LPMO-catalyzed reactions can occur, and they are all interconnected. In addition, the LPMO active site remains hard to define, as residues responsible for fine-tuning copper reactivity and catalytic performance vary. The work presented in this thesis focuses on how determinants such as pH, O2, H2O2, the reductant and the polysaccharide substrate affect LPMO reactions. By doing so, we identify limiting factors important for understanding LPMO reactions and reaction design. This work is supplemented by an in-depth analysis of the LPMO active site using advanced spectroscopic methods that provides insight into important active site details. Lytisk polysakkarid monooksygenaser (LPMOer) er mono-kobber enzymer som kan aktivere inerte polysakkaride C-H bindinger med bindings energier nærme 100 kcal∙mol-1. Denne evnen har skapt interesse for bruken av LPMOer i nedbrytning av biomasse som cellulose og kitin og i det uorganiske feltet for biomimikry. Selv om mye er gjort siden oppdagelsen deres, er mekanismen og reaksjonsintermediatene fortsatt delvis ukjent. En av grunnene til det er at LPMOer kan gjennomføre flere reaksjoner avhengig av hvilke reaksjonsbetingelser som foreligger. I tillegg, så er selve aktive setet til LPMOen vanskelige å definere siden flere residuer bidrar til å fininnstille reaksjonen og de varier. Arbeidet presentert i denne avhandlingen fokuserer på hvordan pH, O2, H2O2, reduktanter og det polysakkaride substratet påvirker LPMO reaksjonen. Ved å gjøre det, identifiserer vi begrensende faktorer for å forstå LPMOer og reaksjonsdesign. Dette arbeidet supplementers med en dybdeanalyse av det aktive setet med avansert spektroskopi for å forstå viktige detaljer.