Enzymes for selective decoupling of woody biomass: From fundamentals to industrial potential
Doctoral thesis, 2018
The need for an economy based on renewable materials has resulted in growing interest in the use of woody biomass in a wider field of application. However, the chemical complexity of lignocellulose and the dense structure of wood pose challenges in its processing. The aim in a materials biorefinery is to extract the individual wood-components in as native and intact form as possible; and highly specific enzymes could be used for this. In this work, lignocellulosic enzymes with the potential of selectively decoupling and decomposing wood polymers were investigated and characterised.
One of the studies was devoted to assessing enzyme accessibility in wood structures and evaluating the importance of pre-treatment to open up the dense wood structure, in order to improve enzyme performance. It was shown that the physical contribution during steam explosion is crucial for enhanced enzymatic hydrolysis of wood. Moreover, the performance of two endo-mannanases produced by the bacterium Cellvibrio japonicus(CjMan5A and CjMan26A) were compared on mannan polymers with dissimilar backbone structures and decorations, including the industrially relevant spruce galactoglucomannan. The enzymes were shown to be differently affected by the backbone heterogeneity and the presence of side groups on the substrates, demonstrating the variation in substrate preferences among mannanases. It was further shown that chemical acetylation of mannans reduced substrate hydrolysis significantly. Acetylation was therefore suggested as a tool to limit the biodegradation of mannan-based material.
The major part of the work described in this thesis was dedicated to investigating the role and function of glucuronoyl esterases (GEs), which are enzymes that hydrolyse the ester linkages between lignin and hemicelluloses that contribute to the recalcitrance of woody biomass. Extensive structure-function studies of bacterial GE candidates contributed to our understanding of the diversity of this relatively unexplored enzyme family. Both similarities and differences in substrate preferences among the GEs studied revealed enzymes more promiscuous than their characterised fungal counterparts. GE activity was further assayed on lignin-carbohydrate complexes isolated from woody biomass, and GE-mediated ester cleavage was demonstrated with advanced and complementary tools, including size-exclusion chromatography, 31P NMR and 2D NMR. These findings not only confirm the suggested biological role of GEs, but also demonstrate the potential of these enzymes in decoupling lignin from hemicelluloses in industrial settings.
One of the studies was devoted to assessing enzyme accessibility in wood structures and evaluating the importance of pre-treatment to open up the dense wood structure, in order to improve enzyme performance. It was shown that the physical contribution during steam explosion is crucial for enhanced enzymatic hydrolysis of wood. Moreover, the performance of two endo-mannanases produced by the bacterium Cellvibrio japonicus(CjMan5A and CjMan26A) were compared on mannan polymers with dissimilar backbone structures and decorations, including the industrially relevant spruce galactoglucomannan. The enzymes were shown to be differently affected by the backbone heterogeneity and the presence of side groups on the substrates, demonstrating the variation in substrate preferences among mannanases. It was further shown that chemical acetylation of mannans reduced substrate hydrolysis significantly. Acetylation was therefore suggested as a tool to limit the biodegradation of mannan-based material.
The major part of the work described in this thesis was dedicated to investigating the role and function of glucuronoyl esterases (GEs), which are enzymes that hydrolyse the ester linkages between lignin and hemicelluloses that contribute to the recalcitrance of woody biomass. Extensive structure-function studies of bacterial GE candidates contributed to our understanding of the diversity of this relatively unexplored enzyme family. Both similarities and differences in substrate preferences among the GEs studied revealed enzymes more promiscuous than their characterised fungal counterparts. GE activity was further assayed on lignin-carbohydrate complexes isolated from woody biomass, and GE-mediated ester cleavage was demonstrated with advanced and complementary tools, including size-exclusion chromatography, 31P NMR and 2D NMR. These findings not only confirm the suggested biological role of GEs, but also demonstrate the potential of these enzymes in decoupling lignin from hemicelluloses in industrial settings.
lignocellulose
glucuronoyl esterase
polysaccharide acetylation
carbohydrate esterase family 15
woody biomass
materials biorefinery
enzyme accessibility
lignin-carbohydrate bonds
mannanase
galactoglucomannan
KC, Chemistry building, Kemigården 4
Opponent: Dr. Brian H. Davison, Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Tennessee, USA
Author
Jenny Arnling Bååth
Chalmers, Biology and Biological Engineering, Industrial Biotechnology
Biochemical and structural features of diverse bacterial glucuronoyl esterases facilitating recalcitrant biomass conversion
Biotechnology for Biofuels,;Vol. 11(2018)
Journal article
Mannanase hydrolysis of spruce galactoglucomannan focusing on the influence of acetylation on enzymatic mannan degradation
Biotechnology for Biofuels,;Vol. 11(2018)
Journal article
A glucuronoyl esterase from Acremonium alcalophilum cleaves native lignin-carbohydrate ester bonds
FEBS Letters,;Vol. 590(2016)p. 2611-8
Journal article
Contribution of Structural Modification to Enhanced Enzymatic Hydrolysis and 3-D Structural Analysis of Steam-Exploded Wood using X-Ray Tomography
BioResources,;Vol. 11(2016)p. 8509-8521
Journal article
Arnling Bååth J, Mazurkewich S, Navarro Poulsen J, Olsson L, Lo Leggio L and Larsbrink J. Biochemical and structural characterization of the glucuronoyl esterase TtCE15A from Teredinibacter turnerae reveals interactions with a variety of lignin- and carbohydrate-derived compounds
Stundande klimatförändringar och utarmning av jordens resurser kräver att vi ställer om till en cirkulär och biobaserad ekonomi. I denna förändring är det viktigt att ersätta fossila råvaror med förnyelsebar biomassa och dessutom använda biomassan mer resurs- och energieffektivt. I Sverige, som till två tredjedelar täcks av skog, är träråvara en betydelsefull resurs och behovet av att utveckla det industriella användandet av skogens biomassa är avgörande för ekonomisk tillväxt i en svensk bioekonomi.
Trä består huvudsakligen av de polymera kolhydraterna cellulosa och hemicellulosa samt den aromatiska strukturen lignin. Om kolhydraterna bryts ner fullständigt utvinns enkla sockerarter, som kan användas för produktion av etanol och bränsle, men komponenterna i trä har även stor potential att användas till produkter med högre förädlingsgrad. Detta kan uppnås genom att utvinna träpolymererna i mer intakt form. Den täta trästrukturen och den kemiska komplexiteten försvårar dock industriell tillämpning och vi behöver utveckla effektiva separationstekniker utan oönskade sidoreaktioner. I dessa processer kan specifika enzymer, kapabla att bryta ner och modifiera träpolymerer med fördel användas.
I min avhandling beskriver jag enzymer som agerar på kemiska bindningar i, och emellan, de polymera kedjemolekylerna i trä och hur de på ett kontrollerat vis bryter ner eller separerar dessa komponenter. Jag diskuterar hur förbehandlingar, som öppnar upp träets kompakta ultrastruktur, förbättrar tillgängligheten för, och därmed effektiviteten av enzymer. Inte bara ultrastrukturen, utan även träpolymerernas kemiska sammansättning påverkar enzymers aktivitet. Jag undersökte hur enzymers förmåga att agera på galaktoglukomannan, en viktig hemicellulosa i gran, påverkades av huvudkedjans kemiska uppbyggnad, närvaron av sidogrupper och acetylering.
Tyngdpunkten i mitt arbete var att studera glukuronsyraesteraser (GEs), enzymer som klyver kovalenta esterbindningar mellan lignin och kolhydratkomponenter. Jag visade för första gången att GEs kan bryta esterbindningar i trä, vilket demonstrerar enzymernas industriella potential för att underlätta extraktion av träpolymerer. Jag undersökte även GEs från ett stort antal olika bakterier utifrån deras tredimensionella struktur, aktivitet och specificitet för olika estersubstrat. Min forskning bidrar till nya kunskaper om en relativt okänd klass av enzymer, samt presenterar avancerade och alternativa mätmetoder för detektion av GE-aktivitet på komplexa substrat extraherade från trä. Sammantaget utgör denna forskningsinsats den mest omfattande GE-studien som hittills har rapporterats.
Trä består huvudsakligen av de polymera kolhydraterna cellulosa och hemicellulosa samt den aromatiska strukturen lignin. Om kolhydraterna bryts ner fullständigt utvinns enkla sockerarter, som kan användas för produktion av etanol och bränsle, men komponenterna i trä har även stor potential att användas till produkter med högre förädlingsgrad. Detta kan uppnås genom att utvinna träpolymererna i mer intakt form. Den täta trästrukturen och den kemiska komplexiteten försvårar dock industriell tillämpning och vi behöver utveckla effektiva separationstekniker utan oönskade sidoreaktioner. I dessa processer kan specifika enzymer, kapabla att bryta ner och modifiera träpolymerer med fördel användas.
I min avhandling beskriver jag enzymer som agerar på kemiska bindningar i, och emellan, de polymera kedjemolekylerna i trä och hur de på ett kontrollerat vis bryter ner eller separerar dessa komponenter. Jag diskuterar hur förbehandlingar, som öppnar upp träets kompakta ultrastruktur, förbättrar tillgängligheten för, och därmed effektiviteten av enzymer. Inte bara ultrastrukturen, utan även träpolymerernas kemiska sammansättning påverkar enzymers aktivitet. Jag undersökte hur enzymers förmåga att agera på galaktoglukomannan, en viktig hemicellulosa i gran, påverkades av huvudkedjans kemiska uppbyggnad, närvaron av sidogrupper och acetylering.
Tyngdpunkten i mitt arbete var att studera glukuronsyraesteraser (GEs), enzymer som klyver kovalenta esterbindningar mellan lignin och kolhydratkomponenter. Jag visade för första gången att GEs kan bryta esterbindningar i trä, vilket demonstrerar enzymernas industriella potential för att underlätta extraktion av träpolymerer. Jag undersökte även GEs från ett stort antal olika bakterier utifrån deras tredimensionella struktur, aktivitet och specificitet för olika estersubstrat. Min forskning bidrar till nya kunskaper om en relativt okänd klass av enzymer, samt presenterar avancerade och alternativa mätmetoder för detektion av GE-aktivitet på komplexa substrat extraherade från trä. Sammantaget utgör denna forskningsinsats den mest omfattande GE-studien som hittills har rapporterats.
Subject Categories
Industrial Biotechnology
ISBN
978-91-7597-848-2
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4529
Publisher
Chalmers
KC, Chemistry building, Kemigården 4
Opponent: Dr. Brian H. Davison, Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Tennessee, USA