Cellodextrin and β-D-1,3-glucan phosphorylases as biocatalysts for novel glucan structure synthesis

Polysakkaridien entsymaattinen synteesi on suhteellisen uusi materiaalitieteen ala, joka yhdistää innovatiiviset materiaalit ja entsyymien biologisen tarkkuuden. Tämän väitöskirjan julkaisut osoittavat, että entsyymikatalysoitujen reaktioiden avulla voidaan valmistaa uniikkeja hiilihydraattipohjaisia materiaaleja. Työssä keskitytään selluloosan ja β-1,3-glukaanin entsymaattiseen tuottoon käyttämällä fosforylaasi-entsyymejä pyrkimällä samalla vaikuttamaan tuotettujen polysakkaridien rakenteellisiin ominaisuuksiin esimerkiksi muokkaamalla reaktio-olosuhteita ja hyödyntäen sekä entsyymien natiiveja että ei-natiiveja glykosyyliakseptoreita. Julkaisussa 1 keskitytään rekombinanttisesti tuotettuun Clostridium thermocellum -bakteerista peräisin olevaan sellodekstriinifosforylaasi-entsyymiin ja tutkitaan selluloosan in vitro synteesiä sen avulla. Työn keskeisimmät havainnot olivat, että synteettisten selluloosapolymeerien pituuteen sekä muodostuneiden selluloosakuitujen rakenteellisiin ominaisuuksiin voitiin vaikuttaa synteesireaktioon käytetyn glykosyyliakseptorin konsentraation perusteella. Nämä tulokset johtavat kohti räätälöityjä selluloosamateriaaleja, joita voidaan hyödyntää eri sovelluksissa. Samankaltaista metodologiaa käyttäen, julkaisussa 2 tutkimme β-1,3-glukaanin synteesiä käyttäen rekombinanttisesti tuotettua β-1,3-glukaanifosforylaasia. Kun synteesireaktiot tehtiin tietyissä lämpötiloissa, muodostui uniikkeja kerroksellisia heksagonaalisia partikkeleita. Nämä tulokset parantavat ymmärrystämme β-1,3-glukaani-kolmoisheliksien rakenteellisesta käyttäytymisestä ja laajentavat hiilihydraattipohjaisten rakenteiden kirjoa, jotka voidaan valmistaa entsymaattisesti. Julkaisussa 3 laajennetaan polysakkaridisynteesin soveltamisalaa käyttäen kromoforisia glykosyyliakseptoreita entsymaattisten synteesireaktioiden substraattina, mahdollistaen värimolekyylien kovalenttisen sitoutumisen tuloksena syntyviin rakenteisiin. Tämä lähestymistapa lisää värimolekyylit entsymaattisen synteesin avulla tuotettujen materiaalien käyttökohteista listalle ja lisää niiden houkuttelevuutta. Yhdessä nämä tutkimukset edistävät ymmärrystämme fosforylaasikatalysoidun polysakkaridisynteesin mekanismeista ja ohjaavat kohti räätälöityjä biomateriaaleja. Tämän tutkimuksen vaikutukset ovat kauaskantoisia, ja niillä on potentiaalisia sovelluksia muun muassa älykkäissä materiaaleissa, bioyhteensopivissa väriaineissa ja funktionaalisissa materiaaleissa.Tämä väitöskirja korostaa glykosidifosforylaasien laajaa potentiaalia biomateriaalitieteessä ja luo pohjan räätälöityjen hiilihydraattidipohjaisten materaalien kehittämiselle.