Cellodextrin and β-D-1,3-glucan phosphorylases as biocatalysts for novel glucan structure synthesis
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2024-04-22
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
70 + app. 46
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 84/2024
Abstract
Enzymatic synthesis of polysaccharides is a relatively new field of science which combines innovative materials with the biological precision of enzymes. The publications presented in this thesis demonstrate that enzyme-catalyzed reactions can be utilized to produce unique carbohydrate-based materials. The work focuses on enzymatic synthesis of cellulose and β-1,3-glucan with phosphorylase enzymes, aiming at the same to influence the structural properties of the produced polysaccharides for example by adjusting reaction conditions and performing the reactions with the enzyme's native and non-native glycosyl acceptors. Publication 1 focuses on a recombinantly produced cellodextrin phosphorylase from Clostridium thermocellum bacteria and its application in in vitro cellulose synthesis. The most relevant findings of this work were that the length of the synthetic cellulose polymers as well as their structural properties of the cellulose fibrils that formed, could be influenced based on the initial concentration of the glycosyl acceptors. These results lead towards tailored cellulose materials that can be used in different applications. Utilizing similar methodology, in publication 2 we investigated β-1,3-glucan synthesis with a recombinantly produced β-1,3-glucan phosphorylase. When the synthesis reactions were carried out at certain temperatures, unique layered hexagonal particles were produced. These results improve our understanding on the structural behaviour of triple-helical β-1,3-glucans and broaden the range of enzymatically synthesizable carbohydrate-based structures. Publication 3 broadens the scope of polysaccharide synthesis by utilizing chromophoric glycosyl acceptors as substrates for enzymatic synthesis reactions, which makes it possible to attach color molecules covalently to the structures that are formed as a product. This approach adds color molecules to the list of application areas for enzymatically synthesized materials and improves their attractability. Together, this research improves our understanding on the mechanisms of phosphorylase-catalyzed polysaccharide synthesis and leads towards tailored biomaterials. The implications of this research are far-reaching, and they have potential applications in smart materials, biocompatible and functional materials among other. This thesis highlights the broad potential of glycoside phosphorylases in biomaterial science and lays the groundwork for developing tailored carbohydrate-based materials.Polysakkaridien entsymaattinen synteesi on suhteellisen uusi materiaalitieteen ala, joka yhdistää innovatiiviset materiaalit ja entsyymien biologisen tarkkuuden. Tämän väitöskirjan julkaisut osoittavat, että entsyymikatalysoitujen reaktioiden avulla voidaan valmistaa uniikkeja hiilihydraattipohjaisia materiaaleja. Työssä keskitytään selluloosan ja β-1,3-glukaanin entsymaattiseen tuottoon käyttämällä fosforylaasi-entsyymejä pyrkimällä samalla vaikuttamaan tuotettujen polysakkaridien rakenteellisiin ominaisuuksiin esimerkiksi muokkaamalla reaktio-olosuhteita ja hyödyntäen sekä entsyymien natiiveja että ei-natiiveja glykosyyliakseptoreita. Julkaisussa 1 keskitytään rekombinanttisesti tuotettuun Clostridium thermocellum -bakteerista peräisin olevaan sellodekstriinifosforylaasi-entsyymiin ja tutkitaan selluloosan in vitro synteesiä sen avulla. Työn keskeisimmät havainnot olivat, että synteettisten selluloosapolymeerien pituuteen sekä muodostuneiden selluloosakuitujen rakenteellisiin ominaisuuksiin voitiin vaikuttaa synteesireaktioon käytetyn glykosyyliakseptorin konsentraation perusteella. Nämä tulokset johtavat kohti räätälöityjä selluloosamateriaaleja, joita voidaan hyödyntää eri sovelluksissa. Samankaltaista metodologiaa käyttäen, julkaisussa 2 tutkimme β-1,3-glukaanin synteesiä käyttäen rekombinanttisesti tuotettua β-1,3-glukaanifosforylaasia. Kun synteesireaktiot tehtiin tietyissä lämpötiloissa, muodostui uniikkeja kerroksellisia heksagonaalisia partikkeleita. Nämä tulokset parantavat ymmärrystämme β-1,3-glukaani-kolmoisheliksien rakenteellisesta käyttäytymisestä ja laajentavat hiilihydraattipohjaisten rakenteiden kirjoa, jotka voidaan valmistaa entsymaattisesti. Julkaisussa 3 laajennetaan polysakkaridisynteesin soveltamisalaa käyttäen kromoforisia glykosyyliakseptoreita entsymaattisten synteesireaktioiden substraattina, mahdollistaen värimolekyylien kovalenttisen sitoutumisen tuloksena syntyviin rakenteisiin. Tämä lähestymistapa lisää värimolekyylit entsymaattisen synteesin avulla tuotettujen materiaalien käyttökohteista listalle ja lisää niiden houkuttelevuutta. Yhdessä nämä tutkimukset edistävät ymmärrystämme fosforylaasikatalysoidun polysakkaridisynteesin mekanismeista ja ohjaavat kohti räätälöityjä biomateriaaleja. Tämän tutkimuksen vaikutukset ovat kauaskantoisia, ja niillä on potentiaalisia sovelluksia muun muassa älykkäissä materiaaleissa, bioyhteensopivissa väriaineissa ja funktionaalisissa materiaaleissa.Tämä väitöskirja korostaa glykosidifosforylaasien laajaa potentiaalia biomateriaalitieteessä ja luo pohjan räätälöityjen hiilihydraattidipohjaisten materaalien kehittämiselle.Description
Supervising professor
Penttilä, Merja, Prof., VTT Technical Research Centre of Finland, FinlandThesis advisor
Penttilä, Merja, Prof., VTT Technical Research Centre of Finland, FinlandKeywords
polysaccharide synthesis, cellulose, β-1, 3-glucan, glycoside phosphorylases, chromophores, material science, biomaterials, enzymes, polysakkaridisynteesi, selluloosa, β-1, 3-glukaani, glykosidi fosforylaasit, kromoforit, materiaalitiede, biomateriaalit, entsyymit
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Pylkkänen, Robert; Mohammadi, Pezhman; Arola, Suvi; de Ruijter, Jorg; Sunagawa, Naoki; Igarashi, Kiyohiko; Penttilä, Merja. In Vitro Synthesis and Self-Assembly of Cellulose II Nanofibrils Catalyzed by the Reverse Reaction of Clostridium thermocellum Cellodextrin Phosphorylase. Biomacromolecules, 2020, volume 21, issue 10, pages 4355-4364.
DOI: 10.1021/acs.biomac.0c01162 View at publisher
-
[Publication 2]: Pylkkänen, Robert; Mohammadi, Pezhman; Liljeström, Ville; Płaziński, Wojciech; Beaune, Grégory; Timonen, Jaakko; Penttilä, Merja. β-1,3-Glucan synthesis, novel supramolecular self-assembly, characterization and application. Nanoscale, 2022, volume 14, pages 15533-15541.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202211096427DOI: 10.1039/D2NR02731C View at publisher
- [Publication 3]: Pylkkänen, Robert; Maaheimo, Hannu; Liljeström, Ville; Mohammadi, Pezhman; Penttilä, Merja. Glycoside phosphorylase catalyzed cellulose and β-1,3-glucan synthesis using chromophoric glycosyl acceptors. Submitted to the journal Biomacromolecules in the year 2024
