Structural basis for the recalcitrance and molecular packing of hemicelluloses
Tid: To 2024-09-26 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/68933782121
Språk: Engelska
Ämnesområde: Bioteknologi
Respondent: Emilia Heinonen , Wallenberg Wood Science Center, Glykovetenskap
Opponent: Professor Maija Tenkanen, University of Helsinki
Handledare: Professor Francisco Vilaplana, Glykovetenskap, Wallenberg Wood Science Center, Fiber- och polymerteknologi, Albanova VinnExcellence Center for Protein Technology, ProNova; Docent Jakob Wohlert, Fysik, Wallenberg Wood Science Center, Biokompositer; Professor Gunnar Henriksson, Wallenberg Wood Science Center, Träkemi och massateknologi; Professor Mikael Lindström, Träkemi och massateknologi
QC 2024-08-29
Abstract
Träcellväggens egenskaper bestäms av sammansättningen och den molekylära strukturen hos cellväggens polymerer (cellulosa, hemicellulosa, pektin och lignin) samt deras växelverkningar. I synnerhet hemicellulosa som utgör omkring 30% av trä är en underutnyttjad källa till biopolymerer. Acetylerad glukoronoxylan utgör den huvudsakliga hemicellulosan i lövträ men anledningen till variationen i glukuronisering och acetylering som existerar mellan olika träslag är inte helt förstådd.
Målet för arbetet som presenteras här var ökad kunskap om xylanstruktur och, mer allmänt, växelverkningar mellan de oordnade polysackariderna i cellväggen och cellulosa. Dessa är viktiga för att konstruera korrekta cellväggsmodeller samt för att utveckla produkter baserade på hemicellulosa. Inledningsvis undersöktes effekten av hemicellulosornas huvudkedjor på hur de ansamlas på cellulosafibriller med hjälp av atomistiska datorsimuleringar. Flera system där xylo-oligosackarider (XO) användes som modeller för hemicellulosastruktur jämfördes. Den spontana adsorptionen av XO till cellulosa som observerades ledde till anti-parallell upplinjering, en konformationsändring till en tvåfaldig helix samt bildandet av regelbundna nätverk av vätebindningar. Dessa modeller utökades senare till att innefatta andra hemicellulosor samt pektin. Parametrarna som undersöktes var mobilitet på cellulosaytor, upplinjering, konformation i lösning och på cellulosaytor samt styrkan hos växelverkningarna. Tydlig upplinjering samt en distinkt konformationsförändring till följd av adsorptionen var utmärkande för hemicellulosornas anpassningsbarhet vilket särskilde dem från de andra polysackariderna. Sett ur detta perspektiv var β-glukaner som inkluderar β-(1→3)-bindningar jämförbara med β-(1→4)-bundna hemicellulosor.
Sekventiell extraktion i subkritiskt vatten (SWE) och alkali utfördes på asprespektive eukalyptusträ med syftet att undersöka hemicellulosornas struktur. Buffrad SWE ledde till att acetylerad glukuronoxylan (acGX) med distinkta acetylerings- och glukuroniseringsmönster frisattes. Detta möjliggjorde extraktion av galaktosylerad acGX från eukalyptus utan att delignifiering behövdes. Värt att notera är att en liten andel glukuronsyror i följd, i både asp och eukalyptus, indikerar ett mer komplext substitutionsmönster än vad man tidigare trott, likt de i arabinoglukuronoxylan från barrträ. Strukturen i GX påverkade nedbrytbarheten genom xylanaser. Områden med låg glukuroniseringsgrad aggregerade i vatten, vilket minskade åtkomligheten för glukuronoxylanas GH30. Detta var särskilt relevant för alkaliextraherad GX vilken saknar acetylering. Vidare så hindrade galaktosideringen i eukalyptus åtkomligheten för GH30. GH10 kunde frisätta galaktosylerade XO, men med en förändrad preferens för vilken bindning den bryter. Stor skillnad i mängden Gal-MeGlcA från odlingar med GH30 och GH10 kan betyda att Gal-MeGlcA uppträder i kluster längs xylankedjan. Vidare så frisattes den terminala galaktosen som en β- och inte en α-galaktos, vilket bekräftar förekomsten av galaktos som dess β-anomer.
Substitutionsgrad och -struktur visades vidare påverka aggregering av GX vid surt pH 2.0. Genom frysning och efterföljande upptining kunde separering av GX från bok i två fraktioner uppnås, baserade på deras respektive löslighet vid pH 2.0. Den utfällda fraktionen hade högre polymerisationsgrad och lägre substitutionsgrad av glukoronsyra, men högre andel motiv där substituenterna var jämt fördelade med långa avstånd (X>6U) jämfört med den lösliga fraktionen. Fraktionering vid sura betingelser visade på förekomsten av variationer i glukuronisering mellan individuella polymerer vilket möjligen kan knytas till skillnaden i aktivitet mellan de två kända glukuronyltransferaserna GUX1 och GUX2.
Sammantaget ger resultaten insikter i grundläggande frågeställningar runt xylanernas molekylära struktur och växelverkningar mellan cellväggens olika oordnade polysackarider och cellulosafibriller. Detta kan öka vår kunskap om deras biologiska funktion samt användas för att utveckla mer detaljerade cellväggsmodeller och produkter baserade på hemicellulosa.