Alginate modifying enzymes: elucidating the dualistic mode of action of lyases and epimerases

Alginater er lange kjeder av molekyler som består av to lignende sukkerenheter kalt M og G. Alginater finnes i mange typer brunalger og produseres også av noen bakterier. Alginater har blitt produsert og brukt i mange år som gelings- og fortykningsmiddel i ulike næringsmidler og i industrielle anvendelser. De siste årene har også anvendelser innen biomedisin og farmasi vært økende. Dette har ført til økt behov for alginater med spesifikke og definerte egenskaper. I denne sammenhengen er enzym proteiner kalt alginat epimeraser og alginat lyaser viktige redskap. Disse proteinene kan endre sammensetningen av M og G samt kjedelengden på alginat molekylene. Dette er basale egenskaper som bestemmer hvor egnet ulike alginater er for forskjellige anvendelser, og derfor er det viktig å kunne kontrollere disse egenskapene. Den katalytiske mekanismen til epimeraser og lyaser, dvs hvordan de spesifikt virker på alginat kjeden er veldig likt selv om endeproduktene de lager er ulike. I dette prosjektet vil vi utnytte den omfattende ekspertisen på epimeraser og lyaser i konsortium, sammen med avanserte eksperimentelle teknikker for karakterisering av enzymer, for å oppnå dypere innsikt i deres komplekse funksjoner. I løpet av det siste året har vi vist hvordan alginat-epimeraser kan brukes direkte i ekstraksjonsprosesser av alginat. Vi har også karakterisert virkningsmekanismene til flere alginat-lyaser og klargjort rollene til nøkkelenzymer i nedbrytningen av alginat. I tillegg har vi utviklet en ny metode for kjemo-enzymatisk produksjon av definerte alginat oligomerer. Disse fremskrittene styrker prosjektets innvirkning på både grunnleggende og anvendt enzymforskning, ved å fremme vår forståelse av alginat-epimeraser og lyaser. Videre kan denne kunnskapen bidra til utviklingen av forbedrede alginatmodifiserende enzymer, noe som gir økt presisjon i designet av nye alginatbaserte materialer.

-

Alginates are high molecular weight polysaccharides composed of 1-4 linked residues of beta-D-mannuronic acid (M) and alfa-L-guluronic acid (G) and is produced by brown algae and some species of Pseudomonas and Azotobacter. Alginates are traditionally used as a gelling and thickening agent in food and industrial applications, but biomedical and pharmaceutical applications are increasing. This is accompanied with an increased need for alginate structures with specific and defined properties. In this respect, alginate epimerases and alginate lyases capable of modifying the M/G ratio and molecular weight respectively are important enzymatic tools. Interestingly, the catalytic mechanism of epimerases and lyases share common initial steps and one enzyme from A. vinelandii display both activities equally well probably originating from the same active site. Furthermore, recent research from the partners in the AlgModE consortium show that some alginate lyases occasionally also is able to perform epimerisation reactions. These intriguing properties are not fully characterised and a complete understanding of the catalytic mechanism of these alginate modifying enzymes are not yet understood. In the present project we will take advantage of the comprehensive competence on epimerases and lyases within the partners research groups as well as the availability of powerful techniques for structural and functional characterisation of the enzymes in order to gain insight into the complex reaction mechanisms. The expected outcome from this project will have impact for both basic and applied enzyme research by understanding the catalytic mechanism for alginate epimerases and lyases in general. In addition, the generated knowledge can facilitate development of new and improved functionalities of alginate modifying enzymes allowing for increased precision in tailoring of the biotechnologically important alginate polysaccharides.