Μοριακή, Δομική Και Καταλυτική Μελέτη Καινοτόμων Βιοκαταλυτών (Ημικυτταρινάσες) Που Εμπλέκονται Στην Αποικοδόμηση Της Φυτικής Βιομάζας

Abstract

Η αποικοδόμηση της φυτικής βιομάζας με τη χρήση ημικυτταρινασών παραμένει ένα από τα προαπαιτούμενα για την αποδοτική παραγωγή βιοκαυσίμων δεύτερης γενιάς από ζυμώσιμα σάκχαρα. Οι γλυκουρονικές εστεράσες (Glucuronoyl Esterases, GEs), ανήκουν σε μια πρόσφατα ανακαλυφθείσα οικογένεια υδατανθρακικών εστερασών (Carbohydrate Esterases, CEs), CE-15, που φέρονται να υδρολύουν τον εστερικό δεσμό μεταξύ των πλευρικών ομάδων του 4-O-μεθυλο-D-γλυκουρονικού οξέος της γλυκουρονοξυλάνης και αρωματικών αλκοολών της λιγνίνης. Ο συγκεκριμένος δεσμός θεωρείται ότι εκπροσωπεί ένα από τα δυσκολότερα στάδια που απαντώνται κατά την πλήρη αποδέσμευση της λιγνίνης από τους υδατάνθρακες που συνθέτουν την ημικυτταρίνη. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή δόθηκε έμφαση στην εστεράση του γλυκουρονικού Η αποικοδόμηση της φυτικής βιομάζας με τη χρήση ημικυτταρινασών παραμένει ένα από τα προαπαιτούμενα για την αποδοτική παραγωγή βιοκαυσίμων δεύτερης γενιάς από ζυμώσιμα σάκχαρα. Οι γλυκουρονικές εστεράσες (Glucuronoyl Esterases, GEs), ανήκουν σε μια πρόσφατα ανακαλυφθείσα οικογένεια υδατανθρακικών εστερασών (Carbohydrate Esterases, CEs), CE-15, που φέρονται να υδρολύουν τον εστερικό δεσμό μεταξύ των πλευρικών ομάδων του 4-O-μεθυλο-D-γλυκουρονικού οξέος της γλυκουρονοξυλάνης και αρωματικών αλκοολών της λιγνίνης. Ο συγκεκριμένος δεσμός θεωρείται ότι εκπροσωπεί ένα από τα δυσκολότερα στάδια που απαντώνται κατά την πλήρη αποδέσμευση της λιγνίνης από τους υδατάνθρακες που συνθέτουν την ημικυτταρίνη. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή δόθηκε έμφαση στην εστεράση του γλυκουρονικού οξέος αλλά και μεταλλάγματός της από το θερμόφιλο μύκητα Myceliophthora thermophila (συνώνυμο Sporotrichum thermophile, StGE2 και S213A StGE2, αντίστοιχα), και στην εστεράση του γλυκουρονικού οξέος από το μεσόφιλο μικροοργανισμό Podospora anserina (PaGE1). Ειδικότερα, πραγματοποιήθηκαν μελέτες τόσο της StGE2 όσο και της PaGE1 ως προς την υδρόλυση εμπορικά διαθέσιμου συνθετικού υποστρώματος. Η πειραματική μεθοδολογία τριών σταδίων που αναπτύχθηκε αποτελεί έναυσμα για την ανακάλυψη και μελέτη νέων GEs. Παράλληλα, εξετάστηκε η StGE2 ως προς το συνθετικό δυναμικό μέσω αντιδράσεων εστεροποίησης και μετεστεροποίησης σε μη συμβατικά συστήματα που περιελάμβανε επίσης την ακινητοποίησή της. Στην ελεύθερη μορφή του το ένζυμο εμφάνισε ενδείξεις σύνθεσης γλυκουρονιδίων. Επιπροσθέτως, διερευνήθηκε η φυσιολογική δράση του ενζύμου μέσω απομόνωσης λιγνινο-υδατανθρακικών συμπλόκων (Lignin-Carbohydrate Complexes, LCCs) ως φυσικών υποστρωμάτων εμπλουτισμένα σε εστερικούς δεσμούς-στόχο για τις GEs. Η καταλυτική ενεργότητα της StGE2 αλλά και των ημικυτταρινασών που εξετάστηκαν, αποτελεί ένα βήμα προς τη διαλεύκανση του φυσικού ρόλου των GEs. Τέλος, έλαβαν χώρα κρυσταλλογραφικές μελέτες ακτίνων Χ με πρωτεϊνικούς στόχους την StGE2 και την S213A StGE2 που οδήγησαν στον προσδιορισμό των τρισδιάστατων δομών τους σε υψηλή ευκρίνεια 1.55 Å και 1.9 Å, αντίστοιχα, ενώ κατέστη επιτυχής ο προσδιορισμός της τρισδιάστατης κρυσταλλικής δομής του συμπλόκου S213A – MeGlcA σε ευκρίνεια 2.35 Å. Οι συγκεκριμένες δομές αποτελούν τις πρώτες δομές θερμοάντοχης GE, GE που φέρει σημειακή μετάλλαξη σε καταλυτικό αμινοξύ ενώ αυτή του συμπλόκου αποτέλεσε την πρώτη δομή GE με ανάλογο υποστρώματος.