Structural basis for the recalcitrance and molecular packing of hemicelluloses

• The properties of wood cell walls are determined by the composition and the molecular structures of the cell wall polymers (cellulose, hemicelluloses, pectins and lignin) and the interactions between them. In particular, hemicelluloses are an underutilized source of biopolymers that constitute around 30 % of wood. In hardwoods, the main hemicellulose is acetylated glucuronoxylan and the variation in the patterns of acetylation and glucuronidation between tree species is not fully understood. This study aimed to increase understanding of the xylan structure in particular and more generally, the interaction between the cell wall matrix polysaccharides and cellulose, which are important for the preparation of more accurate cell wall models as well as for the development of hemicellulose-based products.The effect of matrix polysaccharides’ backbone on the assembly with cellulose fibril in water was studied using atomistic simulations. First, several setups were compared with xylo-oligosaccharides (XOs) as model hemicellulose motifs. Anti-parallel alignment together with the conformational change to a 2-fold helix as well as the formation of a distinct hydrogen bonding network were characteristics of spontaneous adsorption of XOs to cellulose. The established simulation setup was further used to expand the scope to other hemicelluloses and pectins. The parameters investigated included mobility on the cellulose surface, alignment, conformation in water and on cellulose and the interaction strength. Alignment along the fibril and conformational change upon adsorption defined the adaptability of hemicelluloses and distinguished them from the other oligosaccharides. In this sense, the mixed-linked β-glucan with a β-(1→3)-linkage was shown to be comparable to β-(1→4)-linked hemicelluloses.To investigate the structure of hemicelluloses, sequential subcritical water (SWE) and alkaline extraction methods were applied to aspen and Eucalyptus wood. Buffered SWE released acetylated glucuronoxylan (acGX) with distinct patterns of acetylation and glucuronidation and enabled the extraction of galactosylated acGX from Eucalyptus without the need for prior delignification. In particular, a small amount of consecutive glucuronidation in both Eucalyptus and aspen xylan showed a more complex substitution pattern than previously thought, with similarity to arabinoglucuronoxylan from softwoods. The structure of GX affected its biological degradability by xylanases. Regions of low degree of glucuronidation were shown to aggregate in water, which hindered their accessibility to GH30 glucuronoxylanase. This was particularly relevant to alkali-extracted GX devoid of acetylation. In Eucalyptus, galactosylation impeded the digestion by GH30. GH10 could release galactosylated XOs but the cleavage site preference was shown to be altered. The large difference in the amount of Gal-MeGlcA from incubations with GH30 and GH10 suggests that the Gal-MeGlcA motifs may be clustered in xylan. Furthermore, the terminal galactose was released by a β- but not an α-galactose confirming the presence of galactose as a β-anomer.The degree and the pattern of glucuronidation were further shown to affect the aggregation of glucuronoxylan at acidic pH 2.0. Separation of beech glucuronoxylan in two fractions based on their solubility at pH 2.0 was achieved by freezing and subsequent thawing. The precipitated GX had a higher DP and a lower degree of glucuronidation with an enrichment in the motifs with an even and lengthily-spaced glucuronidation pattern (X>6U) compared to the soluble GX. The fractionation of these GX populations in acidic conditions revealed the occurrence of interpolymer variability of glucuronidation, possibly corresponding to different activities of the two known glucuronyltransferases GUX1 and GUX2.Overall, these results provide insights into the fundamentals of the molecular structure of xylans and the interaction of matrix polysaccharides with cellulose fibrils, which can increase our understanding of their biological functions and be utilized in the development of more accurate cell wall models and hemicellulose-based products.

• Träcellväggens egenskaper bestäms av sammansättningen och den molekylära strukturen hos cellväggens polymerer (cellulosa, hemicellulosa, pektin och lignin) samt deras växelverkningar. I synnerhet hemicellulosa som utgör omkring 30% av trä är en underutnyttjad källa till biopolymerer. Acetylerad glukoronoxylan utgör den huvudsakliga hemicellulosan i lövträ men anledningen till variationen i glukuronisering och acetylering som existerar mellan olika träslag är inte helt förstådd.Målet för arbetet som presenteras här var ökad kunskap om xylanstruktur och, mer allmänt, växelverkningar mellan de oordnade polysackariderna i cellväggen och cellulosa. Dessa är viktiga för att konstruera korrekta cellväggsmodeller samt för att utveckla produkter baserade på hemicellulosa. Inledningsvis undersöktes effekten av hemicellulosornas huvudkedjor på hur de ansamlas på cellulosafibriller med hjälp av atomistiska datorsimuleringar. Flera system där xylo-oligosackarider (XO) användes som modeller för hemicellulosastruktur jämfördes. Den spontana adsorptionen av XO till cellulosa som observerades ledde till anti-parallell upplinjering, en konformationsändring till en tvåfaldig helix samt bildandet av regelbundna nätverk av vätebindningar. Dessa modeller utökades senare till att innefatta andra hemicellulosor samt pektin. Parametrarna som undersöktes var mobilitet på cellulosaytor, upplinjering, konformation i lösning och på cellulosaytor samt styrkan hos växelverkningarna. Tydlig upplinjering samt en distinkt konformationsförändring till följd av adsorptionen var utmärkande för hemicellulosornas anpassningsbarhet vilket särskilde dem från de andra polysackariderna. Sett ur detta perspektiv var β-glukaner som inkluderar β-(1→3)-bindningar jämförbara med β-(1→4)-bundna hemicellulosor.Sekventiell extraktion i subkritiskt vatten (SWE) och alkali utfördes på asprespektive eukalyptusträ med syftet att undersöka hemicellulosornas struktur. Buffrad SWE ledde till att acetylerad glukuronoxylan (acGX) med distinkta acetylerings- och glukuroniseringsmönster frisattes. Detta möjliggjorde extraktion av galaktosylerad acGX från eukalyptus utan att delignifiering behövdes. Värt att notera är att en liten andel glukuronsyror i följd, i både asp och eukalyptus, indikerar ett mer komplext substitutionsmönster än vad man tidigare trott, likt de i arabinoglukuronoxylan från barrträ. Strukturen i GX påverkade nedbrytbarheten genom xylanaser. Områden med låg glukuroniseringsgrad aggregerade i vatten, vilket minskade åtkomligheten för glukuronoxylanas GH30. Detta var särskilt relevant för alkaliextraherad GX vilken saknar acetylering. Vidare så hindrade galaktosideringen i eukalyptus åtkomligheten för GH30. GH10 kunde frisätta galaktosylerade XO, men med en förändrad preferens för vilken bindning den bryter. Stor skillnad i mängden Gal-MeGlcA från odlingar med GH30 och GH10 kan betyda att Gal-MeGlcA uppträder i kluster längs xylankedjan. Vidare så frisattes den terminala galaktosen som en β- och inte en α-galaktos, vilket bekräftar förekomsten av galaktos som dess β-anomer.Substitutionsgrad och -struktur visades vidare påverka aggregering av GX vid surt pH 2.0. Genom frysning och efterföljande upptining kunde separering av GX från bok i två fraktioner uppnås, baserade på deras respektive löslighet vid pH 2.0. Den utfällda fraktionen hade högre polymerisationsgrad och lägre substitutionsgrad av glukoronsyra, men högre andel motiv där substituenterna var jämt fördelade med långa avstånd (X>6U) jämfört med den lösliga fraktionen. Fraktionering vid sura betingelser visade på förekomsten av variationer i glukuronisering mellan individuella polymerer vilket möjligen kan knytas till skillnaden i aktivitet mellan de två kända glukuronyltransferaserna GUX1 och GUX2.Sammantaget ger resultaten insikter i grundläggande frågeställningar runt xylanernas molekylära struktur och växelverkningar mellan cellväggens olika oordnade polysackarider och cellulosafibriller. Detta kan öka vår kunskap om deras biologiska funktion samt användas för att utveckla mer detaljerade cellväggsmodeller och produkter baserade på hemicellulosa.

• Puun soluseinien ominaisuudet määräytyvät soluseinäpolymeerien (selluloosa, hemiselluloosat, pektiinit ja ligniini) molekyylirakenteen sekä niiden välisten vuorovaikutusten perusteella. Vaikka 30% puun kuivapainosta muodostuu hemiselluloosista, niitä on hyödynnetty varsin vähän. Kaikkien lehtipuiden pääasiallinen hemiselluloosa on O-asetyyli-4-Ometyyliglukurono-β-D-ksylaani (acGX). Ei kuitenkaan ole vielä tarkasti tiedossa, kuinka paljon O-asetyyli ja MeGlcA ryhmien jakautuminen ptkin ksylaaniketjua vaihtelee puulajeittain. Tämän tutkimuksen tarkoitus onkin yhtäältä lisätä tietoa ksylaanin molekyylirakenteesta lehtipuissa ja toisaalta selvittää yleisemmin soluseinän polysakkaridien ja selluloosan vuorovaikutusta.Tutkimuksen ensimmäisessä osassa selvitimme simulaatiokokeiden avulla kuinka polysakkaridiketjun molekyylirakenne (ilman sivuryhmiä) vaikuttaa niiden adsorboitumiseen selluloosan pinnalle. Simulaatiasetelmaa testattiin ensin ksylaanilla, jolloin havaittiin, että vapaasti adsorboituva ksylaani asettuu yleensä vastakkaiseen suuntaan selluloosan glukoosiketjuihin nähden, muuttaa konformaation 2-kierteiseksi sekä muodostaa vetysidosten verkoston selluloosan kanssa. Testattua simulaatiasetelmaa käytettiin edelleen muihin hemiselluloosiin ja pektiineihin. Tutkittuja parametreja olivat liikkuvuus selluloosan pinnalla, suuntautuminen, konformaatio vedessä ja selluloosan pinnalla sekä vuorovaikutuksen vahvuus. Tulokset osoittivat, että hemiselluloosat erosivat muista polysakkarideista konformaation ja suuntautumisen perusteella. Yllättävää oli, että myös β-glukaani, huolimatta yhdestä β-(1→3)-sidoksesta, käyttäytyi samalla tavalla kuin tyypilliset hemiselluloosat, jotka koostuvat β-(1→4)-sidoksin ketjuttuneista monosakkarideista.Toisessa osassa selvitimme kokeellisin menetelmin ksylaanin molekyylirakennetta. Puskuroidun subkriittisen vesi- (SWE) ja alkaliuuton jaksottamisella saatiin glukuronoksylaania (GX) uutettua tehokkaasti haavasta ja eukalyptuksesta ilman erillistä esikäsittelyä ligniinin poistamiseksi. Puskuroitu SWE oli erityisen hyödyllinen asetyyli- (haapa ja eukalyptus) ja galaktoosiryhmien (eukalyptus) uutossa. Peräkkäisiä glukuronidiryhmiä havaittiin molempien puulajien ksylaanissa osoittaen, että sivuryhmät jakautuvat ksylaaniketjulle monimutkaisemmin kuin on tähän mennessä tiedetty. Sama substituutiokuvio on aiemmin havaittu havupuiden arabinoglukuronoksylaanissa. Lisäksi huomattiin, että ksylaanin rakenne vaikutti sen biologiseen hajoavuuteen ksylanaasien avulla. Pieni glukuronidaatioaste aiheutti ksylaanin yhteenkerääntymistä vedessä, mikä vaikeutti glukuronoksylanaasin toimintaa, erityisesti alkaliuutolla kerätyllä ksylaanilla, jossa ei ole asetyyliryhmiä parantamassa liukoisuutta. Eukalyptuksen ksylaanin galaktoosiryhmät estivät GH30 glukuronoksylanaasin toiminnan. GH10-ksylanaasin spesifisyys muuttui hieman eukalyptuksen galaktoosin vaikutuksesta. Suuri ero Gal-MeGlcA sivuryhmien määrässä GH30 ja GH10 inkubaatioista saaduissa ksylo-oligosakkarideissa viittasi siihen, että Gal-MeGlcA saattavat olla ryhmittyneinä tiettyyn osaan ksylaania. Galaktoosin hydrolysoituminen β-, muttei α-galaktanaasin avulla vahvisti galaktoosin esiintymisen β-anomeerina.Glukuronidaation määrän ja laadun osoitettiin edelleen vaikuttavan glukuronoksylaanin saostumiseen happamissa olosuhteissa. Pyökin GX pystyttiin erottamaan kahteen fraktioon liukoisuuden perusteella, kun hapan liuos (pH 2.0) ensin jäädytettiin ja sitten sulatettiin. Saostuneella ksylaanilla oli korkeampi polymeroitumis-, matalampi glukuronidaatioaste ja tasaisemmin jakautuneet glukuronidiryhmät verrattuna liukoiseen ksylaaniin. Tämä osoitti, että substituutiokuvio vaihtelee sekä yksittäisen ksylaanipolymerin varrella että useiden ksylaanien välillä, mikä todennäköisesti on seurausta kahden tunnetun glukuronylitransferaasin, GUX1 ja GUX2 eri aktiivisuudesta.Tutkimus antaa uutta tietoa ksylaanien molekyylirakenteesta ja matriisipolysakkaridien vuorovaikutuksen perusteista selluloosafibrillien pinnalla. Tietoa voidaan hyödyntää sekä tarkempien soluseinämallien että hemiselluloosapohjaisten tuotteiden kehityksessä.

Ämnesord

LANTBRUKSVETENSKAPER  -- Lantbruksvetenskap, skogsbruk och fiske -- Trävetenskap (hsv//swe)

AGRICULTURAL SCIENCES  -- Agriculture, Forestry and Fisheries -- Wood Science (hsv//eng)

LANTBRUKSVETENSKAPER  -- Bioteknologi med applikationer på växter och djur -- Växtbioteknologi (hsv//swe)

AGRICULTURAL SCIENCES  -- Agricultural Biotechnology -- Plant Biotechnology (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Kemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences (hsv//eng)

Nyckelord

Hemicelluloses

glucuronoxylan

molecular dynamics

extractability

substitution pattern

Hemiselluloosat

glukuronoksylaani

molekyylidynamiikka

uutettavuus

substituutiokuvio

Hemicellulosa

glukuronoxylan

molekylär dynamik

extraherbarhet

substitutionsmönster

Biotechnology

Bioteknologi

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)