Enzyme Hydrolysis of Cellulose Derivatives. Active Site Studies and Polymer Characterisation.

Abstract

Soluble derivatives of cellulose have become increasingly important in industrial products e.g. in pharmaceutical applications and in technical dispersions. The polymer characteristics of modified celluloses are to a high degree determined by the substituent distribution along the polymeric backbone. The distribution will be more or less heterogeneous both due to the fact that polymers from renewable resources are not homogenous, and due to the manufacturing process that is performed in heterogeneous conditions. Both these factors induce variation in substitution pattern and thus in the polymer behaviour. The available analytical techniques based on acid depolymerisation, are not sufficient to explain the variation in behaviour, thus an approach using selective cellulose degrading enzymes is attractive.



Due to the enzymes different selectivity they will give rise to specific degradation pattern, which will reflect both the enzymes capability to cope with substituents and the polymer characteristics, i.e. how evenly the substituents are distributed.



In this thesis, several pure endoglucanases ability to depolymerise cellulose ethers (MC, CMC, HPC and HPMC) has been studied. The formed products were analysed using SEC-MALS-RI, ESI-MS and MALDI-TOFMS. The MS analysis gave detailed knowledge about the enzyme specificity towards substituents. This information could then be related to enzyme active site structures, explaining the differences in degradation pattern. From NMR and chromatographic analysis, knowledge about the substituent distribution could be elucidated. This could then be related to the observed clouding behaviour of the polymer.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Cellulosa är ett av de vanligast förekommande biologiska ämnena på jorden och en mycket viktig råvara. Cellulosa är en polymer, uppbyggd av glukosmolekyler som är bundna till varandra i kedjor. Kedjorna kan bli mycket långa och består ofta av flera tusen glukosmolekyler. Eftersom cellulosakedjor är lineära kan de packa sig parallellt med varandra och bilda styva fibrer som är olösliga i vatten.



Cellulosa är ett billigt och förnyelsebart material och därför är intresset stort för att kunna använda det som råvara för många och vitt skilda tillämpningar. Genom att kemiskt introducera nya grupper (substituenter) längs med cellulosakedjan kan man framställa derivatiserad eller modifierad cellulosa. Substituenterna stör interaktionen mellan cellulosakedjorna och det ger materialet helt nya egenskaper. Modifierad cellulosa kan till exempel vara vattenlöslig.



Idag används cellulosaderivat i en mängd olika tillämpningar, t.ex. som tillsats i bl.a. betong och färg inom byggindustrin, som matris i tabletter inom läkemedelsindustrin, och som konsistensgivare i mat inom livsmedelsindustrin. Den breda användningen ställer höga krav på cellulosaderivatens teknologiska egenskaper. Vilka egenskaper ett cellulosaderivat har beror bland annat på vilken sorts substituenter som introduceras och hur många substituenter det färdiga derivatet innehåller. Fördelningen av substituenter längs med cellulosakedjan har också stor betydelse för derivatets egenskaper. Idag vet man för lite om hur fördelningen av substituenter påverkar derivatets egenskaper, dessutom saknas det bra och välutvecklade metoder för att undersöka substituenternas fördelning längs med polymerkedjan.



Det finns emellertid en indirekt metod som kan användas för att undersöka fördelningen. Denna metod går ut på att först bryta ned modifierad cellulosa med hjälp av enzymer och sedan sluta sig till hur substituenterna har varit fördelade genom att studera resultatet av nedbrytningen. Vissa mikroorganismer producerar enzymer för att kunna bryta ned och tillgodogöra sig cellulosa. Dessa mikroorganismer (till exempel svampar eller bakterier) utsöndrar enzymer som kan bryta bindningarna mellan glukosmolekylerna i cellulosakedjan. Det finns många slags enzymer som verkar på olika sätt. De som har använts i denna studie kallas för endoglukanaser och bryter bindningar inuti cellulosakedjan. Endoglukanaserna hindras av de introducerade substituenterna, men kan bryta ned de delar av cellulosakedjan som har färre substituenter. Genom att studera resultatet av enzymernas nedbrytning kan man sedan dra slutsatser om substituenternas fördelning längs med cellulosakedjan. För att kunna få ut mesta möjliga kunskap om substitutionsmönstret behöver man mer detaljerad kunskap om hur enzymerna påverkas av substituenterna.



Ett av målen med denna avhandling har därför varit att kartlägga hur några endoglukanaser bryter ned derivatiserad cellulosa. Detta har undersökts med hjälp av bl.a. masspektrometri där de bildade produkterna efter enzymatisk nedbrytning av cellulosaderivat har kartlagts. Från dessa resultat har vi kunnat dra slutsatser angående vilka positioner på glukosringarna som inte kan vara substituerade om nedbrytning ska kunna ske. Dessa slutsatser har sedan kunnat relateras till strukturer av de studerade enzymerna. Ett annat mål har varit att koppla nedbrytningsmönstret till egenskaper hos cellulosaderivat. Genom att jämföra nedbrytningen, dels mellan olika slags cellulosaderivat, dels mellan olika typer av endoglukanaser, kan man kartlägga kopplingen mellan en polymers egenskaper och fördelningen av substituenter längs cellulosakedjan. Från dessa resultat har vi kunnat påvisa samband mellan cellulosaderivatens egenskaper och dess substituentmönster. Vi har också visat på fördelar med att använda flera rena endoglukanaser med känd selektivitet mot substituenter för att ge en ökad kunskap om cellulosaderivaten.

• author: Schagerlöf, Herje
• supervisor: Folke Tjerneld
• opponent: Professor Christensen, Bjørn E., Department of Biotechnology, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway
• organization: Biochemistry and Structural Biology
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Kemi, Chemistry, Humicola insolens, Trichoderma reesei, Bacillus agaradhaerens, Mass spectrometry, Substituent distribution, Characterisation, Endoglucanases, Cellulose derivatives
• pages: 141 pages
• defense location: Hörsal A, Kemicentrum, Sölvegatan 39, Lund
• defense date: 2006-03-31 10:15:00
• ISBN: 91-7422-110-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f55d3704-fcf6-45b1-9dfb-d538ee73453b (old id 546398)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:04:50
• date last changed: 2018-11-21 21:08:52