Xylan degradation by the thermophilic bacterium Rhodothermus marinus. Characterization and function of a thermostable xylanase

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Min avhandling består av sex delarbeten som redovisar olika undersökningar av ett värmestabilt enzym (xylanas). Detta enzym är isolerat från en bakterie (Rhodothermus marinus) som lever i varma källor (vid 55-77 °C) och enzymet förväntas alltså fungera vid dessa temperaturer. Enzymets uppgift i bakterien är att förse den med lagom långa kolhydratmolekyler som bakterien kan använda som näring. Vi människor kan utnyttja dessa enzymer för helt andra syften. I mitt arbete har det använts som ett miljövänligt steg i pappersmassablekning. För att kunna utnyttja det så effektivt som möjligt behöver vi först lära känna enzymet. Vad består det av och hur fungerar det? Enzymer katalyserar reaktioner, och kan liknas vid verktyg som för samman ämnen så att de kan reagera med varandra. När uppgiften är klar går enzymet oförändrat ur reaktionen. Enzymer är protein, och de är sammansatta av aminosyror. Dessa aminosyror är byggstenarna som bygger upp enzymets arkitektur. Med hjälp av gentekniska metoder kan man ta reda på vilka aminosyror som ingår i det enzym som studeras. I ett delarbete har DNA-sekvensen (arvsmassan) som kodar för proteinet i bakterien bestämts. Med hjälp av vetskapen att den genetiska koden är universell har koden kunnat översättas till aminosyra-byggstenarna. Den sekvens-bestämda delen av bakteriens DNA har överförts till en mera välkänd bakterieart (Escherichia coli), och där har kända signaler utnyttjats som möjliggör att man kan starta produktion av det önskade enzymet på ett kontrollerat sätt. Det enzym som jag har studerat har till uppgift att katalysera nedbrytning av polysackarider (långa kolhydratkedjor). Enzymet heter xylanas och katalyserar nedbrytning av polysackariden xylan till kortare bitar, sk. oligosackarider. Enzymet har visats bestå både av enheter som binder till polysackarider och en enhet som katalyserar nedbrytning av polysackariden. Enheterna som binder till polysackariden kan ha till uppgift att öka effektiviteten i nedbrytningen. I tre av delarbetena har de bindande och den katalyserande enheten analyserats för att ta reda på vilka bindningar som bryts ned, men också hur stabila de olika enheterna är mot värme. Alla enskilda enheter visades fungera vid den temperatur som är den högsta bakterien kan växa i (77 °C). Både de bindande och den katalytiska enheten utnyttjade samma typer av polysackarider. Detta stöder teorin att de bindande enheterna har till uppgift att öka effektiviteten i nedbrytningen genom att den katalytiska delen p.g.a. bindningen hålls i närheten av de polysackarider som den har till uppgift att främja nedbrytning av. Xylan finns normalt i cellväggarna i växter och träd. Xylan kallas för hemicellulosa, och har liksom cellulosa till uppgift att ge stöd och struktur åt växtcellerna. I växtcellerna finns också ett ämne som heter lignin. Ligninet är delvis bundet till xylan. Det är ligninet som gör att papper blir brunt om det inte bleks. Om xylanaser används i blekning innebär det att förkortade kolhydratkedjor med lignin kan sköljas bort ur processen. Man kan inte helt ersätta traditionella blekningskemikalier genom att använda xylanaser, men man kan minska förbrukningen (vilket är önskvärt av miljöskäl) och man kan också i många fall få ett vitare papper om man låter xylanaser verka som ett steg i blekprocessen. Detta har studerats i ett delarbete. Värmestabila enzymer är en fördel i blekningsprocesser. Normalt sker dessa processer vid höga temperaturer. För att enzymer ska vara ett lönsamt alternativ är det viktigt att de dels ska fungera utan att man ändrar processförhållandena, dels ska de kunna produceras i stora mängder utan dyra omkostnader. Därför har också ett delarbete av min avhandling behandlat hur man ska kunna producera enzymet. Vi har kunnat visa att om man kontrollerar odlingsförhållandena av Escherichia coli så kan stora mängder av enzymet produceras, vilket i sin tur möjliggjorde försöken med massablekning. Arbetet som redovisas i avhandlingen redogör alltså för det studerade enzymets uppbyggnad och funktion. Enzymet har också producerats och provats i enzymatisk blekning av pappersmassa, för att visa på och utvärdera dess möjligheter i en process där användning av enzymer är av miljömässigt värde.