Transglycosylation catalyzed by β-mannanases : Molecular aspects relevant for enzymatic synthesis

Abstract

β-Mannanases are a major type of enzyme involved in the hydrolysis and modification of β-mannans, a hemicellulose present in high amounts in e.g. softwoods such as spruce. The β-mannanases studied in this thesis belong to glycoside hydrolase (GH) families GH5 and GH26. In addition to hydrolysis, some β-mannanases can also catalyze transglycosylation whereby another molecule (acceptor) is transferred onto a saccharide (donor); this makes β-mannanases potentially useful in enzymatic synthesis of glyco-conjugates. To date, transglycosylation capacity with saccharides and alcohols as acceptors has been observed with several GH5 β-mannanases but not with any GH26 ones. The work included in this thesis aims to provide further insight into the molecular aspects of β-mannanase-catalyzed transglycosylation.

GH5 and GH26 β-mannanases from different environments were studied. Comparative studies of three GH5 β-mannanases from the fungus Aspergillus nidulans (Paper I) revealed high transglycosylation capacity with saccharides as acceptors with the β-mannanase AnMan5B. However, AnMan5B could not use alcohols as acceptors (alcoholysis) in contrast to the other two studied β-mannanases AnMan5A and AnMan5C. A non-conserved tryptophan in the putative +2 subsite of AnMan5B may contribute to its comparably high transglyco-sylation capacity with saccharides as acceptors. In Paper IV alcoholysis was studied with AnMan5C as well as the Trichoderma reesei GH5 β-mannanase TrMan5A and its +2 subsite-engineered variant TrMan5A-R171K, where the R171K substitution has previously been shown to eliminate transglycosylation with saccharides as acceptors. TrMan5A was used to enzymatically synthesize alkyl mannosides with surfactant properties. Lower alcoholysis capacity was observed with TrMan5A-R171K compared to TrMan5A, indicating a potential role of Arg171 in subsite +2 in interactions with alcohols.

Residues in the +2 subsite were also studied in Paper V where two tryptophans in the +2 subsite of the blue mussel GH5 β-mannanase MeMan5A were substituted with alanines. The +2 subsite substitutions were found to impair the hydrolytic activity of MeMan5A and reduced or eliminated transglycosylation with saccharides as acceptors, but did not appear to affect alcoholysis. Transglycosylation with saccharides as acceptors was also observed in Paper II with the GH5 β-mannanase BlMan5A from the human gut bacterium Bifidobacterium animalis subsp. lactis. However, no transglycosylation with saccharides as acceptors was observed with the GH26 β-mannanases BoMan26A or BoMan26B from the human gut bacterium Bacteroides ovatus in Paper III. Interestingly, BoMan26A was able to use methanol as acceptor, the first reported instance of alcoholysis capacity in GH26 β-mannanases to date.

The results presented in this thesis give further insight into enzyme-acceptor interactions in aglycone (+) subsites in β-mannanase-catalyzed transglycosylation with saccharides and alcohols as acceptors. The thesis also discusses several factors potentially influencing transglycosylation capacity and acceptor specificity in GH5 and GH26 β-mannanases, which may increase the applicability of β-mannanases in enzymatic synthesis.

Abstract (Swedish)

Att ersätta ändliga resurser med förnybara alternativ är en av mänsklighetens största utmaningar i modern tid. Utsläpp av växthusgaser orsakade av mänsklig civilisation behöver minska, och nya forskningsbaserade lösningar är nödvändiga för att åstadkomma långsiktigt hållbar tillväxt. I denna omställning kan biomassa från växter spela en viktig roll. Växtbiomassa består mestadels av socker som sitter ihop i kedjor (polysackarider) och bygger upp växternas cellväggar.

Den vanligaste växtpolysackariden är cellulosa som används inom flera stora industrier, t.ex. i tillverkning av pappersmassa. Hemicellulosa är en annan vanlig men mindre känd växtpolysackarid. Hemicellulosa används ännu inte industriellt i stor utsträckning, men intresset för hemicellulosa växer snabbt. Olika sorters växter innehåller olika typer av hemicellulosa. I barrträd som gran och tall, som är de vanligaste trädslagen i Sverige, är β-mannan den dominerande typen av hemicellulosa. För att nyttja β-mannan kan vi hitta verktyg i naturen. Många organismer använder enzymer för att bryta ner β-mannan och annan hemicellulosa, och omvandla den till näring. När det gäller nedbrytning av β-mannan är β-mannanaser en av de viktigaste enzymerna. Men för att kunna använda dessa enzymer som verktyg behöver vi förstå hur de fungerar.

En extra intressant sak med vissa β-mannanaser är att de både kan bryta isär polysackarider (hydrolys) och sätta ihop socker med varandra eller koppla ihop socker med andra molekyler (transglykosylering). Att studera transglykosylering är extra intressant eftersom β-mannanaser som kan göra detta eventuellt kan nyttjas för att tillverka olika typer av användbara ämnen. Men det är inte alla β-mannanaser som kan transglykosylera, och olika β-mannanaser kan vara olika bra på transglykosylering beroende på vilken annan molekyl (som kallas acceptor) som de kopplar ihop med sockret. Arbetet i den här avhandlingen har fokuserat på att undersöka i detalj hur olika β-mannanaser fungerar och vad som styr deras funktion, med särskilt fokus på just transglykosylering.

β-Mannanaser kan delas in i olika enzymfamiljer beroende på hur lika deras aminosyrasekvenser är varandra. De flesta β-mannanaser som hittills har upptäckts finns i två familjer, som kallas familj 5 och 26. I artikel I studerade vi tre β-mannanaser i familj 5 från mögelsvampen Aspergillus nidulans. Vi kunde se att alla tre kunde transglykosylera men att det fanns stora skillnader mellan dem i hur bra de kunde koppla ihop olika acceptor-molekyler med socker. Ett av β-mannanaserna var väldigt bra på att använda socker som acceptorer, och byggde ihop ganska långa sockerkedjor. De andra två β-mannanaserna var bättre på att använda alkoholer som acceptorer men inte lika bra på att använda socker. I artikel IV fortsatte vi studera β-mannanaser i familj 5 som kan använda alkoholer som acceptorer och använde dem för att tillverka alkylglykosider, som är biologiskt nedbrytbara ytaktiva ämnen med liknande egenskaper som diskmedel. Vi fann att olika β-mannanaser var olika bra på att fästa alkoholer på socker beroende på vilken alkohol vi tillsatte. Vi tror att sammansättningen av aminosyror i β-mannanasernas aktiva säten (där klyvningen eller ihopsättningen av sockerkedjor sker) påverkar hur väl de kan använda olika acceptorer i transglykosylering.

Vi studerade aminosyror i det aktiva sätet hos ett annat β-mannanas i familj 5 i artikel V, ett β-mannanas från blåmusslans mage. Två aminosyror (tryptofaner) i dess aktiva säte visade sig vara viktiga för enzymets funktion. Detta β-mannanas kan använda både socker och alkoholer som acceptorer i transglykosylering, men när vi muterade bort de två tryptofanerna minskade enzymets förmåga att använda socker som acceptorer. De muterade enzymerna kunde dessutom inte klyva sockerkedjor lika snabbt som ursprungsenzymet. Dock påverkade mutationerna inte enzymets förmåga att använda alkoholer som acceptorer, vilket tyder på att tryptofanerna har olika roller beroende på vilken acceptor-molekyl som används.

Vi människor kan inte själva bryta ner β-mannan men vissa bakterier i våra tarmar kan göra det. I artikel II undersökte vi ett β-mannanas i familj 5 från den probiotiska tarmbakterien Bifidobacterium lactis. Likt de andra β-mannanaserna i familj 5 i artikel I, IV och V kunde även detta β-mannanas använda socker som acceptorer. β-Mannanaset från Bifidobacterium lactis kunde dock bryta ner sockerkedjor snabbare än många andra β-mannanaser vi studerat, vilket kan göra det lättare för bakterien att livnära sig på β-mannan. I artikel III studerade vi två β-mannanaser i familj 26 från en annan tarmbakterie, Bacteroides ovatus. Denna bakterie har en intressant strategi för att bryta ner β-mannan, och använder då flera β-mannanaser och andra enzymer som verkar tillsammans för effektiv nedbryt-ning. En intressant skillnad mellan β-mannanaser i familj 5 och 26 är att de i familj 26 hittills inte har visats kunna transglykosylera. Skillnader i vilka aminosyror som finns i det aktiva sätet i de båda familjerna kan vara en del av förklaringen. Vi kunde dock se att det ena av Bacteroides ovatus två β-mannanaser i familj 26 kan använda metanol som acceptor, vilket tidigare inte har visats i familj 26.

Sammanfattningsvis finns det alltså viktiga skillnader i hur olika β-mannanaser fungerar, och det är inte lätt att förutsäga deras funktion utifrån aminosyrasekvens eller familjetillhörighet. Studierna i den här avhandlingen bidrar till en ökad för-ståelse för vilka detaljer som påverkar β-mannanasers förmåga att transglykosy-lera. Resultaten kan också göra det lättare att i framtiden använda β-mannanaser för att tillverka användbara ämnen av β-mannan från växtbiomassa.

• author: Morrill, Johan
• supervisor: Henrik Stålbrand
• opponent: Dr. Biely, Peter, Institute of Chemistry, Slovak Academy of Sciences, Bratislava, Slovakia
• organization: Biochemistry and Structural Biology
• publishing date: 2017
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biochemistry and Molecular Biology
• keywords: β-mannanase, glycoside hydrolase, enzymology, kinetics, MALDI-TOF MS, HPLC, transglycosylation, alcoholysis, enzyme engineering, protein structure, enzymatic synthesis
• pages: 245 pages
• defense location: Lecture hall C, Center for chemistry and chemical engineering, Naturvetarvägen 14, Lund
• defense date: 2017-10-20 13:15:00
• ISBN: 978-91-7422-544-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 4cf6c979-8383-4829-ab2e-b6020c5dc34a
• date added to LUP: 2017-09-12 14:45:04
• date last changed: 2018-11-21 21:34:33