LPMO

Lüütiline polüsahhariidmonooksügenaas ehk polüsahhariidmonooksügenaas ehk LPMO (lytic polysaccharide monooxygenase) on polüsahhariide lagundavate vask sõltuvate oksüdatiivsete ensüümide grupp. LPMO-d suudavad lagundada kristalset kui ka amorfset ja kopolümeerset substraati. LPMO-del on lame reaktsioonitsentrit omav ala, millel leidub kõrgelt konserveerunud histidiinijääkidest koosnev histidiini klamber, mis seob ensüümi funktsiooniks vajalikku vase iooni. Ensüümi tööks on vajalik esialgne vase iooni redutseerimine keemilise või ensümaatilise redutseerija abil ning eelistatud kosubstraadina vesinikperoksiidi (H2O2). Esimesed seene LPMO-d avastati 1990. aastatel ning kategoriseeriti (tuginedes tolleaegsetele teadmistele, ekslikult) perekond 61 glükosiid hüdrolaasidena (GH61). Neid peeti ekslikult hüdrolaasideks kuni 2011. aastani, kui nimetati esialgu ümber PMO-deks (polüsahhariidi monooksügenaas) ja hiljem LPMO-deks ning seente LPMO-dest moodustati abistava aktiivsuse perekond üheksa (AA9). Nimede muutus oli tinginud LPMO toimemehhanismide ja funktsioonide paremast mõistmisest. Hiljutised kosubstraadi eelistusega seotud avastused võivad põhjustada lähitulevikus selle edasist muutust. Esialgu jagati seente LPMO-d perekond 61 glükosiidhüdrolaaside (GH61) hulka ja bakterite LPMO-d perekond 33 süsivesikseonduvate moodulite (CBM33) hulka. Nüüd, LPMO nime all, on seente LPMO-d koondatud CAZypedias (süsivesikaktiivsete ensüümide entsüklopeedia) abistava aktiivsuse perekond 9, 11, 13, 14, 16 (AA9/AA11/AA13/AA14/AA16) nime alla ning bakteriaalsed LPMO-d kuuluvad abistava aktiivsuse perekonda kümme (AA10). Üldiselt on need perekonnad eksklusiivsed, kuid leidub üks AA10 geen, mis esineb ka kahes seeneliigis. Lisaks on leitud perekond AA15 LPMO, mis aitab putuka liigil Thermobia domestica lagundada kristalset tselluloosi. Lisaks üldisele grupeerimisele esineb LPMO-de noteerimisel kindel nomenklatuur. Nimelt kasutatakse kindlat valku silmas pidades formaati XxLPMOnX või XxAAnX. Xx viitab organismile, millest valk on ekstraheeritud (nt Nc on Neurospora crassa). N viitab CAZy andmebaasis LPMO perekonna numbrile ning viimane X näitab täpselt, mis geeni valguga on tegu. Tselluloosaktiivseid LPMO-sid on rühmitatud ka fülogeneesi ja regioselektiivsuse järgi. Üldiselt jaotatakse need kolme rühma: tüüp 1 – C1-süsinikku oksüdeerivad LPMO-d tüüp 2 – C4- süsinikku oksüdeerivad LPMO-d tüüp 3 – C1- ja C4-süsinikku oksüdeerivad LPMO-d LPMO perekondade primaarjärjestused on üldiselt madala homoloogiaga, kuid jagavad väga sarnast tertsiaarset struktuuri. Neil on reaktsioonitsentris kindlaid histidiini jääke, mis moodustavad nn histidiini klambri ning leidub ka konserveerunud beeta-"võileiva"-vagu, mis sarnaneb immunoglobuliiniga, Üldiselt on kõikidel LPMO-del tömbi otsaga reaktsioonitsenter, mis võimaldab sel seonduda kristalse substraadi pinnale. Bakteriaalsed LPMO-d omavad helikaalsemat sekundaarset struktuuri. Enamus konserveerunud aminohappe jäägid esinevad u 30 A˚ × 40 A˚ reaktsioonitsentri lähisel alal. Selles leidub alati kolm lämmastiku ligandi, millest kaks on histidiini jäägid. Leidub ka teisi vähem konserveerunud jääke nagu AA9 ja AA10 perekondades leiduvad türosiini ja fenüülalaniini jäägid. Bakteriaalsetel LPMO-del on märgatud konserveerunud aromaatseid jääke, millel võib olla osa valgusisesel elektroniülekandel. AA9 perekondades on aktiivtsentri lähedal konserveerunud glutamiin, mis kitiinaktiivsetel AA10 LPMO-del on asendatud glutamaadiga. AA9 ja AA10 LPMO-d on võimelised CDH-delt võtma elektrone ning seetõttu on üritatud tuvastada ka CDH seondumissaiti. Siiski pole sellise struktuuri kindlat olemasolu veel tõestatud. Histidiini klambri struktuuri konserveerunud N-terminaalsel histidiini jääkidel on täheldatud metülatsiooni modifikatsiooni. Seda modifikatsiooni on täheldatud vaid seente LPMO-del. N-terminaalse histidiini modifikatsioon muudab aktiivtsentri omadusi, kuid selle täpne funktsioon pole veel selge. Esialgselt oli teada, et LPMO-d vajavad funktsioneerimiseks kahevalentset metalliiooni, kuid algul peeti seda ekslikult magneesiumi või tsingi iooniks. Hilisemad uuringud aga näitasid, et ensüüm kasutas kofaktorina hoopis vase iooni. Vaseioon esineb ensüümi reaktiivtsentris, kus seda koordineerivad histidiini jäägid. LPMO-d depolümeriseerivad polüsahhariide kasutades hüdroksüleerimist sisaldavat oksüdatiivset mehhanismi. Mehhanism algab LPMO-Cu(II) redutseerimisega LPMO-Cu(I) vormi, mida nimetatakse praimivaks reduktsiooniks. Järgneb substraadiga seondunud redutseeritud ensüümi reaktsioon koensüümiga. Sellest tulenevalt substraat hüdroksüleeritakse ning LPMO taastub Cu(I) vormi ja vabaneb vee molekul. Järgnevalt ebastabiilne hüdroksüleeritud ühend katkeb spontaanselt ning tekib uus oksüdeeritud ahela lõpp LPMO-Cu(II) + e- ----> LPMO-Cu(I) + H2O2 -----> LPMO-O. + R-H ------>LPMO-OH + R. ----->LPMO-Cu(I) + R-OH                                                                      H2O LPMO-d on võimelised kasutama paljusid redutseerijaid, nii keemilisi kui ka ensümaatilisi. Enim kasutatakse laboratoorsetel tingimustel väikseid keemilisi redutseerijaid nagu askorbiinhapet, gallushapet ja redutseeritud glutatiooni. Redoks ensüümse elektrondoonorina on enim tuntud CDH. Keemilised redutseerijad ei mõjuta üldiselt substraati ega produkti, aga need võivad olla lahuses ebastabiilsed, anda segavaid signaale või põhjustada kõrvalreaktsioonide teket. Ensümaatilised redutseerijad on kergemini reguleeritavad, kuid võivad mõjutada substraati või produkti ja seega ka tulemusi. Esialgselt peeti LPMO-de kosubstraadiks molekulaarset hapnikku, kuid uuemad andmed viitavad hoopis vesinikperoksiidi eelistamisele. Nimelt on LPMO-d H2O2 juuresolekul palju efektiivsemad ja lisaks seletab vesinikperoksiidi kasutav reaktsioonimehhanism paremini seda, kust hangib ensüüm reaktsiooniks vajalikud prootonid ja elektronid. Lisaks esinevad biomassi lagundamisel mitmed võimalikud H2O2 sünteesi teed mida LPMO-d saaks reaktsioonide läbiviimiseks kasutada. C1 süsinikku oksüdeerides katkeb glükosiidside ning tekib aldonolaktoon ja tavaline mitteredutseeriv ots. Aldolaktoon võib spontaanselt või ensümaatilise protsessi läbi muutuda aldoonhappe produktiks. C4 süsinikku oksüdeerides katkeb glükosiidside ning tekib 4-ketoaldoos ja tavaline redutseeriv ots. 4-ketoaldoos hüdraatub vastavaks geminaaldiooliks. Oksüdatiivne eneseinaktivatsioon on nähtus, mille läbi redutseeritud aktiivne LPMO võib substraadita olles saada oksüdatiivseid vigastusi. Vigastused lokaliseeruvad aktiivtsentris ja võivad vigastada omakorda ka vaske koordineerivaid histidiini jääke. Oksüdatiivne eneseinaktivatsioon on väga oluline nii labori tingimustes, kus see võib põhjustada ekslikke tulemusi, kui ka tööstuses, kus seda tuleb arvesse võtta nii ensüümi produktsioonil, hoiustamisel kui ka kasutamisel. Mitmed uuringud on näidanud, et LPMO-de lisamine kommerts-ensüümikokteilidele suurendab märkimisväärselt nende efektiivsust. Novozymesi ensüümi kokteilide efektiivsus kasvas aastatel 2000–2012 kümnekordselt, mis tulenes osaliselt LPMO-de lisamisest. Bissaro, B.,(2018), Microbiology and Molecular Biology Reviews, Oxidoreductases and Reactive Oxygen Species in Conversion of Lignocellulosic Biomass, American Society for Microbiology Journals Beeson, W.(2015), Annual Review of Biochemistry, Cellulose Degradation by Polysaccharide Monooxygenases, Kornberg, R., Annual Reviews, 84:923-946 Busk, P.(2015), BMC Genomics, Classification of fungal and bacterial lytic polysaccharide monooxygenases, Pasini, M.,Springer Nature,16(1):368 doi: 10.1186/s12864-015-1601-6 "CAZypedia". Filiatrault-Chastel, C.,(2019), Biotechnology for Biofuels, AA16, a new lytic polysaccharide monooxygenase family identified in fungal secretomes, Brunecky, R., Springer Nature, 12(55) Sabbadin, F.,(2018), Nature Communications, An ancient family of lytic polysaccharide monooxygenases with roles in arthropod development and biomass digestion, Ranier, E.,Springer Nature, 9(1):756 Meier, K.,(2018), Chemical Reviews, Oxygen Activation by Cu LPMOs in Recalcitrant Carbohydrate Polysaccharide Conversion to Monomer Sugars, ACS Publications,118(5):2593-2635 Westereng, B.(2018), Cellulases, Analytical Tools for Characterizing Cellulose-Active Lytic Polysaccharide Monooxygenases (LPMOs), Lübeck, M., Humana Press, 16:219-246 [1] Molecular Mechanisms of Oxygen Activation and Hydrogen Peroxide Formation in Lytic Polysaccharide Monooxygenases