Biochemical modification and functionalization of nanocellulose surface

Abstract

Cellulose is an abundant biopolymer found in many different organisms ranging from microbes to plants and animals. The homopolymer, composed of repeating glucose units, forms mechanically strong nanosized fibrils and rods. In plants cellulose forms macroscopic fibers, which are incorporated in the cell walls. Recently, it has been shown that cellulose fibers can be disintegrated into the fibrils and rods by different chemical treatments. These materials are called nanocellulose. Nanocellulose is a promising material to replace fossil based materials because it is renewable, biodegradable and abundant. It holds great potential in many applications due to its superior mechanical properties and large surface area. For most applications modification of nanocellulose surface is needed due to its tendency to aggregate by hydrogen bonding to adjacent cellulose surfaces. In this thesis we took a biochemical approach on nanocellulose surface modification to achieve modified and functional materials. The advantages of this approach are that the reactions are done in mild aqueous ambient conditions and the amount of functionalities of biomolecules is broad. Four different approaches were chosen. First, genetically engineered cellulose binding proteins, were used to introduce amphiphilic nature to nanocellulose in order to create surface self-assembled nanocellulose films and to stabilize emulsions. This method was shown to be a good method for bringing new function to nanocellulose. (Publication I) Second, covalent coupling of enzymes directly onto modified nanocellulose surfaces provided a route for protein immobilization in bulk. Nanocellulose derivatives were shown to be well suited platforms for easy preparation of bioactive films. More over the film properties could be tuned depending on the properties of the derivative. (Publication II) Third, by modifying the nanocellulose surface with specific enzymes we could study the role of hemicellulose in nanocellulose fibril surface interactions. We showed that hemicellulose has an important role in nanofibrillated cellulose networks, yet its effects were different in aqueous and dry matrixes. (Publication III) Fourth, by modifying the specific function of cellulose binding protein via genetic engineering we showed how the binding properties can be altered and thus the functionalization properties can be tuned, and that the cellulose binding protein properties are substrate dependent. We also showed that nanocellulose as a model substrate in binding studies is a valuable tool for gaining new insight in protein binding behavior. (Publication IV) In conclusion, we showed that biochemical methods are feasible in nanocellulose modification and functionalization to study intrinsic properties of nanocellulose and cellulose binding proteins but also for creating new functional materials.

Selluloosa on laajalti luonnossa esiintyvä biopolymeeri, jota tuottavat kasvien ja mikrobien lisäksi jotkin eläinkunnan jäsenet. Tämä homopolymeeri, joka muodostuu toistuvista glukoosiyksiköistä, muodostaa mekaanisesti vahvoja nanokokoluokan fibrillejä ja tikkuja. Kasveissa selluloosa muodostaa mikro- ja makrokokoluokan kuituja, jotka ovat osana soluseinärakennetta. Hiljattain on pystytty näyttämään, että selluloosakuidut voidaan hajottaa fibrilleiksi ja tikuiksi erilaisin kemian menetelmin. Näitä materiaaleja kutsutaan nanoselluloosaksi. Nanoselluloosa on lupaava materiaali korvaamaan öljypohjaisia materiaaleja, koska se on uusiutuva, biohajoava ja helposti saatavilla oleva. Nanoselluloosa on myös potentiaalinen materiaali monilla eri teknologioiden aloilla suuren pinta-alansa ja ylivertaisten mekaanisten ominaisuuksiensa takia. Suurin osa sovelluksista vaatii nanoselluloosapinnan ominaisuuksien muokkaamista, koska nanoselluloosakuidut liittyvät helposti yhteen vetysidosten välityksellä. Tässä väitöskirjassa on tutkittu biokemiallisten menetelmien soveltuvuutta nanoselluloosapintojen muokkaamisessa ja funktionalisoimisessa. Näiden menetelmien etuja ovat, että reaktiot tapahtuvat miedossa vedellisessä ympäristössä ja että biomolekyylien toiminnollisuuksien joukko on erittäin laaja. Valitsimme neljä erilaista lähestymistapaa. Ensinnä käytimme geneettisesti muokattuja selluloosaan sitoutuvia proteiineja tuomaan amfifiilisyyttä nanoselluloosan pinnalle. Näitä rakenteita käytettiin muodostamaan itsestään järjestäytyneitä pintoja nanoselluloosasta sekä stabiloimaan emulsioita. Tämän menetelmän näytettiin toimivan nanoselluloosan funktionalisoinnissa. (Osajulkaisu I) Toiseksi näytimme, että nanoselluloosan johdannaiset toimivat hyvin matriisina proteiinien suoralle kovalenttiselle kiinnittämiselle bulkissa. Nämä johdannaiset sopivat hyvin bioaktiivisten filmien valmistukseen. Lisäksi filmien ominaisuuksia voitiin muuttaa ja muokata nanoselluloosajohdannaisen ominaisuuksista riippuen. (Osajulkaisu II) Kolmanneksi tutkimme hemiselluloosan roolia nanoselluloosamatriisissa muokkaamalla nanoselluloosan pintaa spesifisillä entsyymeillä. Pystyimme näyttämään, että hemiselluloosalla on tärkeä rooli näissä verkostoissa, joskin se on erilainen kuivissa ja kosteissa systeemeissä. (Osajulkaisu III) Neljänneksi, muokkaamalla geneettisesti selluloosaan sitoutuvan proteiinin spesifiä toimintoa, näytimme, että pystymme vaikuttamaan sen sitoutumisominaisuuksiin ja näin mahdollisesti myös nanoselluloosamateriaalien toiminnollisuuteen. Näytimme myös, että selluloosaan sitoutuvan proteiinin toiminta on riippuvaista sen substraatista ja että nanoselluloosa on hyvä mallisubstraatti sitoutumiskokeissa, sillä se tuo uutta tietoa näiden proteiinien toiminnasta. (Osajulkaisu IV) Yhteenvetona voi todeta, että erilaiset biokemialliset menetelmät soveltuvat nanoselluloosapinnan muokkaukseen ja funktionalisointiin, nanoselluloosan ja siihen sitoutuvien proteiinien luontaisten ominaisuuksien tutkimisessa, mutta myös uusien toiminnallisten materiaalien luomiseen.