From structure to function: charting the course of flavin-dependent carbohydrate oxidoreductases

Carbohydrates are ubiquitous biomolecules present abundantly in nature, playing crucial roles in many biological processes. Over time, various enzymes have evolved to process carbohydrates, converting them into different compounds selectively. The research outlined in this thesis focuses on a particular class of carbohydrate-converting enzymes named flavin-dependent carbohydrate oxidoreductases. Flavin-dependent carbohydrate oxidoreductases retain the unique ability to selectively oxidase sugars using just molecular oxygen as electron acceptor, without relying on additional cofactors or enzyme partners. The simple reaction mechanisms and high regioselectivity, make them appealing for biocatalytic applications. However, challenges persist, especially regarding the difficulties in expressing carbohydrate oxidoreductases in a recombinant host, hampering their development and characterization. To address these problems, the chapters explore new carbohydrate oxidoreductases from diverse biological sources including bacteria and plants, delving into their mechanism of action and their structural properties. Additionally, an evolutionary-based approach has been employed to decipher a particular class of enzymes named aldonolactone oxidoreductases, responsible for the last step in Vitamin C biosynthesis in eukaryotes. Overall, this research enhances our understanding of carbohydrate oxidoreductases, offering potential starting points for enzyme engineering and industrial applications.

I carboidrati sono biomolecole onnipresenti in natura e svolgono ruoli fondamentali in numerosi processi biologici. Nel corso dell'evoluzione, una varietà di enzimi si è sviluppata per utilizzare i carboidrati come substrati, convertendoli selettivamente in diversi composti. La presente ricerca si concentra su una particolare classe di enzimi denominati ossidoreduttasi di carboidrati dipendenti dalla flavina. Questi enzimi possiedono la capacità esclusiva di ossidare selettivamente gli zuccheri utilizzando il solo ossigeno molecolare come accettore di elettroni, senza la necessità di cofattori aggiuntivi o di partner enzimatici. La semplicità del loro meccanismo di reazione e l'elevata regioselettività li rendono particolarmente interessanti per applicazioni biocatalitiche. Tuttavia, permangono numerose difficoltà, soprattutto per quanto riguarda l'espressione in sistemi ricombinanti, limitandone lo sviluppo e la caratterizzazione. Per superare questi ostacoli, i capitoli di questa tesi esplorano nuove ossidoreduttasi di carboidrati provenienti da una varietà di fonti biologiche, come batteri e piante, approfondendo i loro meccanismi d'azione e le proprietà strutturali. Inoltre, utilizzando un approccio evolutivo, è stata analizzata una particolare classe di enzimi chiamata aldonolattone ossidoreduttasi, coinvolti nell'ultimo step della biosintesi della Vitamina C negli eucarioti. Complessivamente, questa ricerca amplia la comprensione delle ossidoreduttasi attive sui carboidrati, aprendo nuove prospettive per l'ingegneria enzimatica e potenziali applicazioni industriali.