A metagenomic ‘dark matter’ enzyme catalyses oxidative cellulose conversion

纤维素 基因组 化学 氧化磷酸化 酶 生物化学 环境化学 基因
作者
Clelton A. Santos,M.A.B. Morais,F Mandelli,E.A. Lima,Renan Y. Miyamoto,Paula M. R. Higasi,Evandro Ares de Araújo,Maria Paula Paixão,Joaquim Martins,Maria Lorenza Leal Motta,Rodrigo Silva Araujo Streit,Luana Galvão Morão,Cláudio Benício Cardoso-Silva,Lúcia D. Wolf,Cesar R. F. Terrasan,Nathalia Rodrigues Bulka,José Diogo,Felipe J. Fuzita,Felippe Mariano Colombari,C.R. Santos
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:639 (8056): 1076-1083 被引量:66
标识
DOI:10.1038/s41586-024-08553-z
摘要

The breakdown of cellulose is one of the most important reactions in nature1,2 and is central to biomass conversion to fuels and chemicals3. However, the microfibrillar organization of cellulose and its complex interactions with other components of the plant cell wall poses a major challenge for enzymatic conversion4. Here, by mining the metagenomic ‘dark matter’ (unclassified DNA with unknown function) of a microbial community specialized in lignocellulose degradation, we discovered a metalloenzyme that oxidatively cleaves cellulose. This metalloenzyme acts on cellulose through an exo-type mechanism with C1 regioselectivity, resulting exclusively in cellobionic acid as a product. The crystal structure reveals a catalytic copper buried in a compact jelly-roll scaffold that features a flattened cellulose binding site. This metalloenzyme exhibits a homodimeric configuration that enables in situ hydrogen peroxide generation by one subunit while the other is productively interacting with cellulose. The secretome of an engineered strain of the fungus Trichoderma reesei expressing this metalloenzyme boosted the glucose release from pretreated lignocellulosic biomass under industrially relevant conditions, demonstrating its biotechnological potential. This discovery modifies the current understanding of bacterial redox enzymatic systems devoted to overcoming biomass recalcitrance5–7. Furthermore, it enables the conversion of agro-industrial residues into value-added bioproducts, thereby contributing to the transition to a sustainable and bio-based economy. A metalloenzyme capable of oxidatively cleaving cellulose, found in a microbial community specialized in lignocellulose degradation, could enable sustainable biofuel production.
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