Διερεύνηση συνεργιστικών δράσεων μεταξύ ημικυτταρινολυτικών ενζύμων για την αποδοτική αποικοδόμηση λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας

Μυλωνά, Ευαγγελία Πηνελόπη; Mylona, Evangelia Pinelopi

dc.contributor.author	Μυλωνά, Ευαγγελία Πηνελόπη	el
dc.contributor.author	Mylona, Evangelia Pinelopi	en
dc.date.accessioned	2024-04-15T10:10:00Z
dc.date.available	2024-04-15T10:10:00Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59181
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26877
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Λιγνινοκυτταρινούχος βιομάζα	el
dc.subject	Βιοαποικοδόμηση	el
dc.subject	Συνεργιτισμός ενζύμων	el
dc.subject	Αραβινοφουρανοζιδάση	el
dc.subject	Ημικυτταρίνη	el
dc.subject	Lignocellulosic biomass	en
dc.subject	Biodegradation	en
dc.subject	Enzyme synergism	en
dc.subject	Arabinofuranosidase	en
dc.subject	Hemicellulose	en
dc.title	Διερεύνηση συνεργιστικών δράσεων μεταξύ ημικυτταρινολυτικών ενζύμων για την αποδοτική αποικοδόμηση λιγνινοκυτταρινούχου βιομάζας	el
dc.title	Investigation of synergistic relationships between hemicellulolytic enzymes for the efficient degradation of lignocellulosic biomass	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημική μηχανική	el
heal.classification	Βιοτεχνολογία	el
heal.classification	Chemical engineering	en
heal.classification	Biotechnology	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-10-02
heal.abstract	Η λιγνινοκυτταρινούχος βιομάζα αποτελεί σημαντική πρώτη ύλη για την ανάπτυξη βιοκαυσίμων και χημικών προϊόντων στα βιοδιυλιστήρια δεύτερης γενιάς, τα οποία προωθούν την εφαρμογή πράσινων διεργασιών, με μία εκ των σημαντικότερων να είναι η ενζυμική υδρόλυση, μέσω της οποίας αξιοποιούνται οι καταλυτικές ιδιότητες των ενζύμων. Η ημικυτταρίνη παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω του εύρους εφαρμογών της, αλλά η πολυπλοκότητά της απαιτεί τη συνεργιστική δράση πληθώρας ενζύμων. Υπό αυτό το πρίσμα, η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώθηκε στην αναζήτηση συνεργιστικών σχέσεων μεταξύ ενζύμων, με σκοπό την αποδοτικότερη αποικοδόμηση της ημικυτταρίνης. Συγκεκριμένα, εξετάστηκαν οι σχέσεις που αναπτύσσει μία αραβινοφουρανοζιδάση της οικογένειας των γλυκοζιδικών υδρολασών (Glycoside Hydrolases, GH) 43 (TtAbf43), ένζυμο που προέρχεται από τον μύκητα Thermothelomyces thermophilus και παράχθηκε μέσω ετερόλογης έκφρασης. Μελετήθηκε η δραστικότητα της TtAbf43 σε πολυμερικά υποστρώματα αραβινοξυλάνης και συγκρίθηκε με αυτήν της αραβινοφουρανοζιδάσης AnAbf51, από την οποία εμφανίζει διαφορετική εξειδίκευση ως προς το υπόστρωμα. Διαπιστώθηκε πως η ενεργότητα αμφότερων των ενζύμων ήταν μεγαλύτερη στη διαλυτή αραβινοξυλάνη σε σχέση με την αδιάλυτη, γεγονός που οφείλεται στις παρεμποδίσεις που υφίστανται από την ύπαρξη φερουλικών οξέων στο δεύτερο υπόστρωμα. Ερευνήθηκε η δράση της ξυλανάσης TtXyn30A σε διαλυτή αραβινοξυλάνη, κατόπιν ενζυμικής της προκατεργασίας με τις αραβινοφουρανοζιδάσες και παρατηρήθηκε πως πράγματι απελευθερώθηκε περισσότερη ξυλοβιόζη στο προκατεργασμένο με μία ή και με τις δύο αραβινοφουρανοζιδάσες υπόστρωμα, σε σχέση με το ανεπεξέργαστο. Μάλιστα, η δράση των δύο αραβινοφουρανοζιδασών μαζί είχε πολύ μεγαλύτερο αντίκτυπο στη δράση της TtXyn30A σε σχέση με την επίδραση που είχε η καθεμιά μεμονωμένα. Εξετάστηκε, επιπλέον, η δραστικότητα των αραβινοφουρανοζιδασών και οι συνεργιστικές σχέσεις που αναπτύσσουν με τις ξυλανάσες TmXyn10, AnXyn11 και TtXyn30A σε υποστρώματα προκατεργασμένης βιομάζας. Στο πίτυρο σίτου, η απελευθέρωση αραβινόζης από την TtAbf43 αυξήθηκε κατά 209% όταν έδρασε μαζί με την TmXyn10, ενώ η δράση της AnAbf51 ενισχύθηκε κατά 132% όταν βρέθηκε μαζί με την TmXyn10. Από την άλλη, η TmXyn10 και η AnAbf51 εμφάνισαν βαθμό συνεργιτισμού ίσο με 1,36 ± 0,19 στην απελευθέρωση ξυλοβιόζης, ενώ η AnXyn11 με την ίδια αραβινοφουρανοζιδάση είχε βαθμό συνεργιτισμού ίσο με 1,57 ± 0,13 ως προς την απελευθέρωση του ίδιου σακχάρου. Η TtXyn30A συνεργαζόμενη με την AnAbf51 εμφάνισε βαθμό συνεργιτισμού ίσο με 2,18 ± 0,19. Στο πίτυρο καλαμποκιού, η TtAbf43 απελευθέρωσε 122% περισσότερη αραβινόζη όταν έδρασε μαζί με την TmXyn10, ενώ η AnAbf51 απελευθέρωσε 152% περισσότερη αραβινόζη παρουσία αυτής της ξυλανάσης. Η αμφίδρομη σχέση μεταξύ των ενζύμων ήταν εμφανής και σε αυτό το υπόστρωμα, με τον βαθμό συνεργιτισμού της TmXyn10, της TtAbf43 και της AnAbf51 ως προς την απελευθέρωση ξυλοβιόζης να ισούται με 5,28 ± 0,81. Η AnXyn11 και η AnAbf51 εμφάνισαν βαθμό συνεργιτισμού ίσο με 3,87 ± 0,36 ως προς την απελευθέρωση ξυλόζης, ενώ η TtXyn30A μαζί με τις δύο αραβινοφουρανοζιδάσες εκδήλωσε βαθμό συνεργιτισμού ίσο με 8,55 ± 1,21 ως προς την απελευθέρωση ξυλοβιόζης. Κατόπιν, τα πειράματα επικεντρώθηκαν στις σχέσεις που διαμορφώνονται μεταξύ των αραβινοφουρανοζιδασών και των εστερασών του οξικού οξέος OCE6 και TtCE16 σε υδρολύματα πίτυρου σίτου και πίτυρου καλαμποκιού, από τις ξυλανάσες AnXyn11 και TmXyn10 αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως η AnAbf51 παρεμποδίστηκε σε κάποιο βαθμό από την παρουσία των ακετυλιώσεων, ενώ η TtAbf43 δεν επηρεάστηκε. Η TtCE16 και η OCE6 ενδεχομένως εμφανίζουν ενεργότητα σε μονάδες ξυλοπυρανόζης δι-υποκατεστημένες, με αραβινόζη και οξικό οξύ, καθώς στο πίτυρο σίτου η συνδυασμένη δράση των OCE6-TtCE16 με την AnAbf51 οδήγησε σε αύξηση στη συγκέντρωση αραβινόζης κατά 21 ± 4%. Στο πίτυρο καλαμποκιού, εκδηλώθηκε σαφής συνεργιτισμός της AnAbf51 με την TtCE16 κατά την απελευθέρωση αραβινόζης (βαθμός συνεργιτισμού: 1,30 ± 0,08). Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναδεικνύονται οι συνέργειες που αναπτύσσουν ημικυτταρινολυτικά ένζυμα με διαφορετική ενεργότητα και εξειδίκευση ως προς το υπόστρωμα, ενώ αποκαλύπτονται και νέες δυνατότητες κάποιων ενζύμων σχετικά με τον τρόπο δράσης και την ικανότητα πρόσδεσής τους στα υποστρώματα. Ως εκ τούτου, η εργασία διευρύνει τις υπάρχουσες γνώσεις γύρω από τους μηχανισμούς δράσης των ημικυτταρινολυτικών ενζύμων, ενώ παράλληλα αποτελεί αφορμή για περαιτέρω έρευνα στον τομέα αυτόν.	el
heal.abstract	Lignocellulosic biomass is an important feedstock for the development of biofuels and chemicals in second-generation biorefineries, which promote the application of green processes, one of the most important being enzymatic hydrolysis, through which the catalytic properties of enzymes are exploited. Hemicellulose is of particular interest due to its wide range of applications, but its complexity requires the synergistic action of a multitude of enzymes. Under this scope, this thesis focused on the search for synergistic relationships between enzymes, in order to more efficiently degrade hemicellulose. Specifically, the relationships developed by an arabinofuranosidase of the family of glycoside hydrolases (Glycoside Hydrolases, GH) 43 (TtAbf43), an enzyme derived from the fungus Thermothelomyces thermophilus and produced through heterologous expression, were examined. The activity of TtAbf43 on polymeric arabinoxylan substrates was studied and compared with that of the AnAbf51 arabinofuranosidase, which exhibits a different substrate specificity. It was found that the activity of both enzymes was greater in the soluble arabinoxylan than in the insoluble one, which is due to the hindrances caused by the presence of ferulic acids in the second substrate. The action of the TtXyn30A xylanase on soluble arabinoxylan was investigated, after enzymatic pretreatment with arabinofuranosidases, and it was observed that more xylobiose was indeed released in the substrate pretreated with one or both arabinofuranosidases, compared to the untreated one. In fact, the action of the two arabinofuranosidases together had a much greater impact on the action of TtXyn30A than the effect of each one individually. In addition, the activity of arabinofuranosidases and the synergistic relationships they develop with TmXyn10, AnXyn11 and TtXyn30A xylanases in pretreated biomass substrates were examined. In wheat bran, arabinose release from TtAbf43 was increased by 209% when co-acted with TmXyn10, while the activity of AnAbf51 was enhanced by 132% when co-acted with TmXyn10. On the other hand, TmXyn10 and AnAbf51 showed a degree of synergism equal to 1.36 ± 0.19 regarding xylobiose release, while AnXyn11 with the former arabinofuranosidase had a degree of synergism equal to 1.57 ± 0.13 in terms of release of the same sugar. TtXyn30A interacting with AnAbf51 performed a synergy, whose degree equaled to 2.18 ± 0.19. In corn bran, TtAbf43 released 122% more arabinose when co-acted with TmXyn10, while AnAbf51 released 152% more arabinose in the presence of this xylanase. The bidirectional relationship between these enzymes was also evident on this substrate, with the degree of synergism of TmXyn10, TtAbf43, and AnAbf51 in releasing xylobiose being equal to 5.28 ± 0.81. AnXyn11 and AnAbf51 showed a degree of synergism equal to 3.87 ± 0.36 in terms of xylose release, while TtXyn30A together with the two arabinofuranosidases showed a degree of synergism equal to 8.55 ± 1.21 in terms of xylobiose release. Afterwards, the experiments focused on the relationships formed between the arabinofuranosidases and the acetic acid esterases OCE6 and TtCE16 in wheat bran and corn bran hydrolysates, by AnXyn11 and TmXyn10 xylanases respectively. The results showed that AnAbf51 was inhibited to some extent by the presence of acetylations, while TtAbf43 was not affected. TtCE16 and OCE6 possibly show activity on xylopyranose units di-substituted with arabinose and acetic acid, as in wheat bran the combined action of OCE6-TtCE16 with AnAbf51 led to an increase in arabinose concentration by 21 ± 4%. In corn bran, AnAbf51 clearly synergized with TtCE16 regarding arabinose release (degree of synergism: 1.30 ± 0.08). In this thesis, the synergies developed by hemicellulolytic enzymes of various functions and properties are highlighted, while new possibilities of some enzymes are revealed regarding their mode of action and their ability to bind to substrates. Therefore, it expands the existing knowledge about the mechanisms of action of hemicellulolytic enzymes, while at the same time it is an occasion for further research in this field.	en
heal.advisorName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.advisorName	Topakas, Evangelos	en
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Μαμμά, Διομή	el
heal.committeeMemberName	Πρωτογέρου, Αιμιλία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Βιοτεχνολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	104 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false