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Optimized Lytic Polysaccharide Monooxygenase Action Increases Fiber Accessibility and Fibrillation by Releasing Tension Stress in Cellulose Cotton Fibers

纤维素 纤维素酶 纤维素纤维 多糖 化学 化学工程 摩尔质量 水解 纤维 单加氧酶 高分子化学 材料科学 有机化学 聚合物 工程类 细胞色素P450
作者
Maud Chemin,Kamal Kansou,Karine Cahier,M. A. Grellier,Sacha Grisel,Bruno Novalès,Céline Moreau,Ana Villares,Jean‐Guy Berrin,Bernard Cathala
出处
期刊:Biomacromolecules [American Chemical Society]
卷期号:24 (7): 3246-3255 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acs.biomac.3c00303
摘要

Lytic polysaccharide monooxygenase (LPMO) enzymes have recently shaken up our knowledge of the enzymatic degradation of biopolymers and cellulose in particular. This unique class of metalloenzymes cleaves cellulose and other recalcitrant polysaccharides using an oxidative mechanism. Despite their potential in biomass saccharification and cellulose fibrillation, the detailed mode of action of LPMOs at the surface of cellulose fibers still remains poorly understood and highly challenging to investigate. In this study, we first determined the optimal parameters (temperature, pH, enzyme concentration, and pulp consistency) of LPMO action on the cellulose fibers by analyzing the changes in molar mass distribution of solubilized fibers using high performance size exclusion chromatography (HPSEC). Using an experimental design approach with a fungal LPMO from the AA9 family (PaLPMO9H) and cotton fibers, we revealed a maximum decrease in molar mass at 26.6 °C and pH 5.5, with 1.6% w/w enzyme loading in dilute cellulose dispersions (100 mg of cellulose at 0.5% w/v). These optimal conditions were used to further investigate the effect of PaLPMO9H on the cellulosic fiber structure. Direct visualization of the fiber surface by scanning electron microscopy (SEM) revealed that PaLPMO9H created cracks on the cellulose surface while it attacked tension regions that triggered the rearrangement of cellulose chains. Solid-state NMR indicated that PaLPMO9H increased the lateral fibril dimension and created novel accessible surfaces. This study confirms the LPMO-driven disruption of cellulose fibers and extends our knowledge of the mechanism underlying such modifications. We hypothesize that the oxidative cleavage at the surface of the fibers releases the tension stress with loosening of the fiber structure and peeling of the surface, thereby increasing the accessibility and facilitating fibrillation.
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