Advanced

Transglycosylation by Glycoside Hydrolases - Production and modification of alkyl glycosides

Lundemo, Pontus LU (2015)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Om vi använder allt tillgängligt fossilt bränsle kommer detta leda till att havsnivån ökar med mer än 50 m, enligt nya rön [1]. Även om detta hot ligger långt in i framtiden, finns ett flertal akuta problem kopplade till den globala uppvärminingen. FNs klimatpanel (IPCC) förutspår i sin senaste rapport en stor ökning av torka, skogsbränder, kraftiga orkaner, svält och massmigreringar år 2100. Dessutom kommer havets ekosystem ha sats ur balans av försurningen som koldioxidutsläppen orsakar, vilket skulle leda till utrotning av tusentals arter. Detta kan dock förhindras, om utsläppen av koldioxid minskar i rask takt för att helt upphöra senast i slutet av århundradet [2].

Stora framsteg... (More)
Popular Abstract in Swedish

Om vi använder allt tillgängligt fossilt bränsle kommer detta leda till att havsnivån ökar med mer än 50 m, enligt nya rön [1]. Även om detta hot ligger långt in i framtiden, finns ett flertal akuta problem kopplade till den globala uppvärminingen. FNs klimatpanel (IPCC) förutspår i sin senaste rapport en stor ökning av torka, skogsbränder, kraftiga orkaner, svält och massmigreringar år 2100. Dessutom kommer havets ekosystem ha sats ur balans av försurningen som koldioxidutsläppen orsakar, vilket skulle leda till utrotning av tusentals arter. Detta kan dock förhindras, om utsläppen av koldioxid minskar i rask takt för att helt upphöra senast i slutet av århundradet [2].

Stora framsteg görs för att minska utsläppen från fossila bränslen i energi och transportsektorn genom bland annat utveckling av solenergi och alternativa drivmedel. Men fossila bränslen används dessvärre inte enbart i energi och transportsektorn. Faktum är att större delen av alla kemikalier som framställs i världen kommer från en handfull intermediärer producerade i oljeraffinaderier. Det förnyelsebara alternativet, bioraffinaderier, där biomassa används som råvara är på uppgång. Dock ligger verktygslådan som är tillgänglig i bioraffinaderier hundratals år efter i utvecklingen jämfört med den traditionella kemin.

Verktygslådan för bioraffinaderier består i huvudsak av enzymer, proteiner som ansvarar för att alla processer i levande organismer sker. Eftersom biomassa består till största delen av kolhydrater så spelar kolhydrataktiva enzymer en viktig roll. Främst för att bryta ner biomassan till dess sockerbeståndsdelar, tillgängliga för mikroorganismer, men även för uppbyggnad av värdefulla produkter.

En sådan värdefull produkt är alkylglykosider, ytaktiva ämnen som används för att lösa upp feta molekyler i vatten. Dessa används i såväl läkemedelsindustrin som i rengöringsmedel, diskmedel och hudvårdsprodukter. De framställs genom att slå ihop en sockermolekyl med en alkohol.

Glykosylering, att fästa en sockermolekyl på något, är väldigt svårt med traditionell kemi. Det kräver flera steg med hög energiåtgång och metallkatalys. Med enzymer kan det utföras i ett enda steg utan starka reaktionsbetingelser.

Den största mångfalden inom kolhydrataktiva enzymer finns hos glykosid hydrolaser, men dessa kan dessvärre inte användas för glykosylering, då de istället är specialister på att bryta bindningar hos kolhydrater med hjälp av vatten, hydrolys.

Denna avhandling fokuserar på att förstå vad som får glykosidhydrolaser att bryta ner respektive bygga upp föreningar med socker som byggstenar. Genom att designa enzym och reaktionsbetingelser har jag lyckats förbättra utbytet från min modellreaktion från 20 % till nära 100 %. Dessa resultat bidrar till att förstå denna värdefulla enzymklass och för oss närmare målet att kunna använda den stora variationen glykosidhydrolaser för glykosylering och därmed konkurrera ut den smutsigare traditionella kemin. (Less)
Abstract
To enable the transition to a green, bio-based economy, an extensive enzymatic toolbox competitive to traditional chemical procedures is needed. One strong area for enzymes is carbohydrate chemistry, due to the over-functionalized nature of carbohydrates, difficult to handle in traditional chemistry. Glycosylation can be catalyzed by four main classes of enzymes, glycosyltransferases, glycoside phosphorylases, transglycosylases and glycoside hydrolases. For industrial implementation, transglycosylases are ideal catalysts that do not need the expensive activated donors associated with glycoside phosphorylases and glycosyltransferases. In addition, they completely lack the hydrolytic activity intrinsic in the closely related glycoside... (More)
To enable the transition to a green, bio-based economy, an extensive enzymatic toolbox competitive to traditional chemical procedures is needed. One strong area for enzymes is carbohydrate chemistry, due to the over-functionalized nature of carbohydrates, difficult to handle in traditional chemistry. Glycosylation can be catalyzed by four main classes of enzymes, glycosyltransferases, glycoside phosphorylases, transglycosylases and glycoside hydrolases. For industrial implementation, transglycosylases are ideal catalysts that do not need the expensive activated donors associated with glycoside phosphorylases and glycosyltransferases. In addition, they completely lack the hydrolytic activity intrinsic in the closely related glycoside hydrolases. Unfortunately, very few transglycosylases with limited substrate specificities exist in nature, while a wide abundance of glycoside hydrolases are available.

To expand the enzymatic toolbox for synthetic chemists it would be favorable to convert glycoside hydrolases into transglycosylases, by limiting their hydrolytic activity. This dissertation investigates the transglycosylation activity of glycoside hydrolases with synthesis and modification of alkyl glycosides, a widely applicable type of surfactants, as model reactions. Reduced hydrolysis for β-glycosidases from the thermophilic Thermotoga neapolitana was achieved through protein engineering, limiting water content and increasing pH. Complete elimination of the hydrolytic activity with maintained transglycosylation was achieved for synthesis of hexyl-β-D-glucoside and the factors resulting in the success are discussed.

In addition, extension of the glycosidic part of alkyl glycosides through the coupling activity of cyclodextrin glucanotransferases is explored. An enzyme kinetics study was undertaken to deduce the optimal reaction conditions to promote coupling for a commercial enzyme. Moreover, a novel cyclodextrin glucanotransferase from Carboxydocella species was characterized, shown to have good coupling activity with γ-cyclodextrins as donor. This previously poorly studied donor can be used to extend the range of alkyl glycosides that can be produced and thereby the number of applications available. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Prof. O'Donohue, Michael J., Université de Toulouse, France
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Glycoside hydrolases, Cyclodextrin glucanotransferases, β-glucosidases, Alkyl glycosides, Thermotoga neapolitana, Organic reaction media
pages
75 pages
defense location
Lecture hall B, Kemicentrum, Getingevägen 60, Lund University, Faculty of Engineering LTH, Lund
defense date
2015-11-26 13:00
ISBN
978-91-7422-417-7
language
English
LU publication?
yes
id
248c2c1a-f8b1-4077-9c32-4d337fcdeee7 (old id 8080782)
date added to LUP
2015-11-05 10:26:50
date last changed
2016-09-19 08:45:16
@phdthesis{248c2c1a-f8b1-4077-9c32-4d337fcdeee7,
  abstract     = {To enable the transition to a green, bio-based economy, an extensive enzymatic toolbox competitive to traditional chemical procedures is needed. One strong area for enzymes is carbohydrate chemistry, due to the over-functionalized nature of carbohydrates, difficult to handle in traditional chemistry. Glycosylation can be catalyzed by four main classes of enzymes, glycosyltransferases, glycoside phosphorylases, transglycosylases and glycoside hydrolases. For industrial implementation, transglycosylases are ideal catalysts that do not need the expensive activated donors associated with glycoside phosphorylases and glycosyltransferases. In addition, they completely lack the hydrolytic activity intrinsic in the closely related glycoside hydrolases. Unfortunately, very few transglycosylases with limited substrate specificities exist in nature, while a wide abundance of glycoside hydrolases are available.<br/><br>
To expand the enzymatic toolbox for synthetic chemists it would be favorable to convert glycoside hydrolases into transglycosylases, by limiting their hydrolytic activity. This dissertation investigates the transglycosylation activity of glycoside hydrolases with synthesis and modification of alkyl glycosides, a widely applicable type of surfactants, as model reactions. Reduced hydrolysis for β-glycosidases from the thermophilic Thermotoga neapolitana was achieved through protein engineering, limiting water content and increasing pH. Complete elimination of the hydrolytic activity with maintained transglycosylation was achieved for synthesis of hexyl-β-D-glucoside and the factors resulting in the success are discussed.<br/><br>
In addition, extension of the glycosidic part of alkyl glycosides through the coupling activity of cyclodextrin glucanotransferases is explored. An enzyme kinetics study was undertaken to deduce the optimal reaction conditions to promote coupling for a commercial enzyme. Moreover, a novel cyclodextrin glucanotransferase from Carboxydocella species was characterized, shown to have good coupling activity with γ-cyclodextrins as donor. This previously poorly studied donor can be used to extend the range of alkyl glycosides that can be produced and thereby the number of applications available.},
  author       = {Lundemo, Pontus},
  isbn         = {978-91-7422-417-7},
  keyword      = {Glycoside hydrolases,Cyclodextrin glucanotransferases,β-glucosidases,Alkyl glycosides,Thermotoga neapolitana,Organic reaction media},
  language     = {eng},
  pages        = {75},
  school       = {Lund University},
  title        = {Transglycosylation by Glycoside Hydrolases - Production and modification of alkyl glycosides},
  year         = {2015},
}