Biodrivstoff fra planter har en viktig rolle å spille i den bærekraftige økonomien; nyere enzymer som LPMOer som bryter ned plantemasse er derfor av interesse. Ingvild Isaksens doktorgradsarbeid har undersøkt LPMOer og kobberkomplekser, med bruk av ulike beregningsorienterte metoder. Arbeidet har bidratt til å øke forståelsen rundt hvordan LPMOer samarbeider med substrat og oksygen.
Lytiske polysakkarid-monooksygenaser (LPMOer) er kobberenzymer som er viktige i nedbrytingen av komplekse kulhydrater (polysakkarider) i biomasse, som cellulose og kitin. De brukes i dag i industrielle enzym-cocktailer for å konvertere cellulose til glukose, som da kan konverteres videre til biodrivstoff og andre nyttige kjemikalier.
Det overordnede målet med arbeidet i denne avhandlingen var å få en mer detaljert mekanistisk innsikt i hvordan LPMOer fungerer, ved å bruke ulike kjemiske beregningsmetoder. Det finnes mange ulike typer metoder innenfor beregningskjemi som kan brukes for å studere enzymatiske systemer.
Beregningskjemi har utviklet seg betydelig siden den såkalte Schrödingerlikningen ble publisert i 1926. Under andre verdenskrig ble elektroniske datamaskiner tilgjengelig, og på 60-tallet ble kvantemekanikk et nyttig verktøy. I dag kan store enzymatiske systemer studeres ved å bruke bl.a. kvantemekanikk i kombinasjon med molekylmekanikk som metode.
Kobberenzymer er et typisk eksempel på enzymer som har fått mye oppmerksomhet, særlig LPMOer. Hvordan LPMOer fungerer er fremdeles uklart. I mange år var oksygen ansett som kosubstratet LPMOer brukte for å bryte ned polysakkarider. I 2016 ble det derimot vist at LPMOer kan bruke hydrogenperoksid som kosubstrat mye mer effektivt enn tidligere observert for oksygen. Hvilket kosubstrat LPMOer faktisk bruker er det fremdeles uenighet om.
Ingvilds arbeid øker forståelsen rundt hvordan LPMOer samarbeider med substrat og oksygen, og har involvert tre spesifikke studier som er beskrevet i detalj i artikler. Hun fant at de fleste av interaksjonene mellom et AA10-type LPMO og substratet skjer mellom delen av polysakkaridkjeden som skal spaltes og spesifikke aminosyrer på overflaten av enzymet. Videre ble det funnet at reorientering av vann som er koordinert til kobber er nødvendig for at LPMOen skal binde til substrat, og at dette fører til endringer i EPR-parametere for kobber.
Ingvild så også nærmere på histidin, en av de aminosyrene som er byggestenene til proteiner og som er essensiel for LPMO-aktivitet. Hun fant at protoneringstilstanden til den konserverte histidinen som «stacker» til det aktive setet i LPMOer inntar bestemte former og at den påvirker interaksjonen mellom kobber og oksygen.
Til slutt ble det for ulike kobberkomplekser funnet at økende antallet aromatiske ringer som koordinerer til kobber ikke påvirker geometrien til T-formen i stor grad. Når en og to vannmolekyler legges til kobberkompleksene og koordinerer til kobberet gir dette geometrier som er like geometrier for LPMOer med like mange vannmolekyler som er funnet tidligere.