β-Mannoside hydrolases from clan A – Structural enzymology, subsite engineering and transglycosylation

Abstract

β-Mannoside hydrolases are enzymes that are involved in conversion of the major soft-wood hemicellulose O-acetyl-galactoglucomannan, an important renewable biomass resource. They belong to clan A of glycoside hydrolases and share a common (β/α)8-TIM barrel fold. For their catalysis, they use a two-step retaining double displacement mechanism, and may in addition to hydrolysis also perform transglycosylation, i.e. synthesis of new glycosidic linkages. Although sharing the same fold, catalytic mechanism and basic enzymatic activity there are differences in fine-tuned function, which often derives from differences in the active site subsite organisation. The aim of this thesis was to reveal knowledge about molecular structure and functional properties of β-mannosidases from GH2 and β-mannanases from GH5 and GH26, with focus on substrate binding and transglycosylation. This is of value for further studies but also when selecting enzymes with specific functions for certain applications. This thesis contributes with three crystal structures of GH5 and GH26 β-mannanases.



For analysis of the binding of oligosaccharides in the active site, a new method was developed. Quantitative product analysis using HPAEC-PAD is combined with MALDI-TOF MS analysis of reactions performed in 18O-labelled water, which enables mapping of active site subsites involved in substrate binding.



A combined phylogenetic and biochemical analysis of GH2 β-mannosidases fom Aspergilli showed that they cluster in two clades (A and B), where clade A and B β-mannosidases appeared to have different functions.



The studied microbial GH26 β-mannanases are from different environments (soil, dung and human gut). They show differences in modularity, function, structure and subsite organisation. None of the GH26 β-mannanases displayed transglycosylation activity. Rational engineering, shifting affinity from subsite -3 to subsite -2, however introduced weak transglycosylation with saccharide acceptors for CfMan26A from Cellulomonas fimi. The studied GH5 β-mannanases are of fungal origin. They all showed transglycosylation activity. A subsite +2 mutant (R171K) of TrMan5A from Trichoderma reesei could not transfer to saccharides but the ability of transfer to alcohol acceptors was retained. AnMan5B from Aspergillus nidulans had an additional Trp in the +2 subsite and showed comparably high transglycosylation with saccharides, but could not transfer to alcohols. Thus, strong binding in the aglycone region appeared to be an important factor for transglycosylation with saccharides but not necessarily with other acceptors, such as alcohols.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Energiförsörjning är essentiellt för alla samhällen världen över, men jordens resurser är inte obegränsade. Växter utgör en stor källa av förnyelsebara råvaror som skulle kunna användas för att ersätta en del fossila energikällor och material. I växters cellväggar finns olika typer socker som sitter ihop i kedjor av så kallade polysackarider. Cellulosa är den mest kända och vanligast förekommande växtpolysackariden. Det är också cellulosa som än så länge utnyttjas mest i olika sammanhang som t.ex. inom pappersframställning. Cellulosa är också mycket i fokus inom projekt som är inriktade mot biobränslen.

Hemicellulosa är den näst vanligaste typen av polysackarid i träd. Den är en intressant förnyelsebar råvara vars potential ännu inte utnyttjas till fullo. För att kunna studera och använda hemicellulosa behövs det verktyg. I naturen finns det enzymer som är konstruerade för att bryta ner och omvandla växtpolysackarider. Naturen har alltså designat verktyg och det gäller för oss att hitta dem och ta reda på hur de fungerar.



Arbetet i den här avhandlingen har varit fokuserat på att ta reda på hur olika enzymer som bryter ner och omvandlar hemicellulosa fungerar i detalj. Hemicellulosan som är i fokus är en typ av β-mannan som finns rikligt i barrträd som tall och gran. Enzymerna kallas β-mannosid-hydrolaser. Det finns enzymer som klyver i ändarna av sockerkedjor (β-mannosidaser) och det finns enzymer som klyver på olika ställen i kedjorna (β-mannanaser). Det som gör dessa enzym extra intressanta att studera är att de både kan klyva itu sockerkedjor (hydrolysera) och bygga ihop nya med varandra (transglykosylera).



Hur enzymerna fungerar styrs av små detaljer i deras aminosyrasekvens och struktur. Baserat på likheter kan β-mannosid-hydrolaser delas in i olika klaner och familjer. Enzymer i samma klan har liknande struktur. Enzymer i samma familj har liknande aminosyrasekvens, struktur och troligtvis liknande funktion. Studierna i den här avhandlingen har dock visat exempel på att det finns funktionella skillnader även inom samma familj. De kan bero på relativt små strukturella skillnader. En av frågeställningarna har varit vad det är som gör β-mannosid-hydrolaserna så olika, trots att de i grunden är väldigt lika. Vi har studerat enzymer från olika miljöer. Från bakterier och svampar som lever i jord och jordbruksavfall till en bakterie i människans tjocktarm. Alla dessa enzymer tillhör samma klan men är indelade i olika familjer: familj 2, 5 och 26.



Artikel I handlar om β-mannosidaser. Dessa enzym finns bl.a. i olika närbesläktade svampar. Studien visade att β-mannosidaser i familj 2 kan placeras i två grupper, grupp A och B. Grupp A verkar vara designade för att befinna sig utanför celler där de klyver ändarna på långa sockerkedjor från t.ex. växtcellväggar. Grupp B verkar vara designade för att befinna sig innuti celler där de klyver ändarna på kortare sockerkedjor. Grupp A är dessutom mer aktiva mot grenade sockerkedjor. Skillnaderna mellan enzymerna styrs av små skillnader mellan aminosyror i det aktiva sätet.



Artikel II-VI handlar om β-mannanaser. I artikel II upptäckte vi ett nytt β-mannanas från familj 26 i en probiotisk bakterie. Den lever i människans tjocktarm och man tror att den är gynnsam för människans hälsa. Enzymet kan bryta ner olika typer av sockerkedjor. Till sin hjälp för att binda till sig sitt socker har det extra sockerbindande moduler. Denna kunskap är värdeful för att förstå hur probiotiska bakterier med hjälp av sina enzym kan tillgodogöra sig olika typer av sockerkedjor. Det gör att vi i längden kanske kan förstå varför vissa socker är hälsobefrämjande medan andra inte är det.



I artikel III-VI studerade vi hur detaljer i strukturen av β-mannanaser styr deras funktion. Detta är viktigt för att förstå varför de fungerar som de gör. Kunskapen kan t.ex. användas för att på biotekniskt sätt designa nya enzym med speciella egenskaper. I artikel III muterade vi två aminosyror i det aktiva sätet i ett familj 26 β-mannanas från en jordlevande bakterie. Detta gjorde vi för att undersöka vilken roll dessa har i inbindningen av socker. Vi utvecklade en ny metod för att på ett snabbt sätt kunna analysera hur enzymet binder in och klyver socker. Mutationerna resulterade i att inbindningen av korta sockerkedjor förändrades och det muterade enzymet genererade andra produkter än det icke-muterade enzymet.



I artikel IV gjorde vi mutationer i ett β-mannanas från familj 5 som finns i en svamp. Detta enzym kan både klyva sockerkedjor och koppla ihop nya (transglykosylera). Resultaten från studien visade att förmågan att koppla ihop nya sockerkedjor är beroende av en specifik aminosyra i det aktiva sätet. Denna aminosyra är en arginin och den finns också med i de familj 5 β-mannanaser som studerades i artikel V och VI. Dessa β-mannanaser visade sig också kunna koppla ihop sockerkedjor. Den ena som studerades i artikel V var exceptionellt bra på det. Detta enzym kunde däremot inte koppla ihop en sockermolekyl med en alkohol, något som de andra familj 5 β-mannanaserna kunde. Enzymernas förmåga att koppla ihop sockermolekyler med varandra eller med en alkohol kan utnyttjas för att syntetisera specifika molekyler. Exempel är detergenter eller läkemedelskandidater. I artikel VI studerade vi även ett familj 26 β-mannanas från en svamp. I likhet med andra familj 26 β-mannanaser kunde detta enzym inte transglykosylera. Det visade sig dock vara unikt då dess produkter var annorlunda jämfört med andra familj 26 β-mannanaser.



β-Mannosid-hydrolaser kan alltså fungera väldigt olika. Det kan vara svårt att förutse deras funktion utifrån vilken familj de tillhör. Beroende på vad man vill använda dem till så gäller det att välja noga. Studierna i den här avhandlingen bidrar till ökad förståelse för hur β-mannosid-hydrolaser fungerar och varför de fungerar som de gör. Resultaten är också en värdefull hjälp i valet av enzym för olika biotekniska tillämpningar som t.ex. mer effektivt utnyttjande av förnyelsebara råvaror så som hemicellulosa.

• author: Rosengren, Anna
• supervisor: Henrik Stålbrand
• opponent: Professor Eijsink, Vincent, Norwegian University of Life Sciences, Ås, Norway
• organization: Biochemistry and Structural Biology
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: β-mannosidase, β-mannanase, enzymology, kinetics, MALDI-TOF MS, protein engineering, protein structure, subsite organisation, transglycosylation
• pages: 180 pages
• defense location: Hörsal B, Kemicentrum, Getingevägen 60, Lund
• defense date: 2014-03-28 10:15:00
• ISBN: 978-91-7422-345-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 2527b3ae-0615-4b92-99dd-13c8a7d084e0 (old id 4342312)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:08:57
• date last changed: 2023-04-18 18:32:12