Significance Plant cell walls are recalcitrant copolymeric structures mainly comprising polysaccharides and lignin. Enzymatic degradation of the polysaccharides is a crucial step in biorefining of biomass. Recently, it was discovered that nature employs copper-dependent redox enzymes called lytic polysaccharide monoxoygenases (LPMOs) to promote degradation of the most recalcitrant and crystalline of these polysaccharides, cellulose. By carrying out oxidative cleavage of otherwise inaccessible cellulose chains, LPMOs create access points for classical hydrolytic enzymes such as cellulases. Intriguingly, the genomes of biomass degrading microorganisms encode a plethora of LPMOs (up to over 40). To our knowledge, we demonstrate for the first time that LPMOs act on hemicelluloses. This finding dramatically widens the scope of LPMOs and oxidative processes in plant cell wall degradation and biorefining.

The emerging bioeconomy depends on improved methods for processing of lignocellulosic biomass to fuels and chemicals. Saccharification of lignocellulose to fermentable sugars is a key step in this regard where enzymatic catalysis plays an important role and is a major cost driver. Traditionally, enzyme cocktails for the conversion of cellulose to fermentable sugars mainly consisted of hydrolytic cellulases. However, the recent discovery of lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs), which cleave cellulose using molecular oxygen and an electron donor, has provided new tools for biomass saccharification.Current commercial enzyme cocktails contain LPMOs, which, considering the unique properties of these enzymes, may change optimal processing conditions. Here, we show that such modern cellulase cocktails release up to 60 % more glucose from a pretreated lignocellulosic substrate under aerobic conditions compared to anaerobic conditions. This higher yield correlates with the accumulation of oxidized products, which is a signature of LPMO activity. Spiking traditional cellulase cocktails with LPMOs led to increased saccharification yields, but only under aerobic conditions. LPMO activity on pure cellulose depended on the addition of an external electron donor, whereas this was not required for LPMO activity on lignocellulose.In this study, we demonstrate a direct correlation between saccharification yield and LPMO activity of commercial enzyme cocktails. Importantly, we show that the LPMO contribution to overall efficiency may be large if process conditions are adapted to the key determinants of LPMO activity, namely the presence of electron donors and molecular oxygen. Thus, the advent of LPMOs has a great potential, but requires rethinking of industrial bioprocessing procedures.

Abstract Background In recent years, lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) that oxidatively cleave cellulose have gained increasing attention in cellulose fiber modification. LPMOs are relatively small copper-dependent redox enzymes that occur as single domain proteins but may also contain an appended carbohydrate-binding module (CBM). Previous studies have indicated that the CBM “immobilizes” the LPMO on the substrate and thus leads to more localized oxidation of the fiber surface. Still, our understanding of how LPMOs and their CBMs modify cellulose fibers remains limited. Results Here, we studied the impact of the CBM on the fiber-modifying properties of Nc AA9C, a two-domain family AA9 LPMO from Neurospora crassa , using both biochemical methods as well as newly developed multistep fiber dissolution methods that allow mapping LPMO action across the fiber, from the fiber surface to the fiber core. The presence of the CBM in Nc AA9C improved binding towards amorphous (PASC), natural (Cell I), and alkali-treated (Cell II) cellulose, and the CBM was essential for significant binding of the non-reduced LPMO to Cell I and Cell II. Substrate binding of the catalytic domain was promoted by reduction, allowing the truncated CBM-free Nc AA9C to degrade Cell I and Cell II, albeit less efficiently and with more autocatalytic enzyme degradation compared to the full-length enzyme. The sequential dissolution analyses showed that cuts by the CBM-free enzyme are more evenly spread through the fiber compared to the CBM-containing full-length enzyme and showed that the truncated enzyme can penetrate deeper into the fiber, thus giving relatively more oxidation and cleavage in the fiber core. Conclusions These results demonstrate the capability of LPMOs to modify cellulose fibers from surface to core and reveal how variation in enzyme modularity can be used to generate varying cellulose-based materials. While the implications of these findings for LPMO-based cellulose fiber engineering remain to be explored, it is clear that the presence of a CBM is an important determinant of the three-dimensional distribution of oxidation sites in the fiber.

Freshwater ecosystems can be largely affected by neighboring agriculture fields where potential fertilizer nitrate run-off may leach into surrounding water bodies. To counteract this eutrophic driver, farmers in certain areas are utilizing denitrifying woodchip bioreactors (WBRs) in which a consortium of microorganisms convert the nitrate into nitrogen-gases in anoxia, fueled by the degradation of lignocellulose. Polysaccharide-degrading strategies have been well-described for various aerobic and anaerobic systems, including the use of carbohydrate-active enzymes, utilization of lytic polysaccharide monooxygenases (LPMOs) and other redox enzymes, as well as the use of cellulosomes and polysaccharide utilization loci (PULs). However, for denitrifying microorganisms, the lignocellulose-degrading strategies remain largely unknown. Here, we have applied a combination of enrichment techniques, gas measurements, multi-omics approaches, and amplicon sequencing of fungal ITS and procaryotic 16S rRNA genes to identify microbial drivers for lignocellulose transformation in woodchip bioreactors, and their active enzymes. Our findings highlight a microbial community enriched for lignocellulose-degrading denitrifiers with key players from Giesbergeria, Cellulomonas, Azonexus, and UBA5070 (Fibrobacterota). A wide substrate specificity is observed among the many expressed carbohydrate active enzymes (CAZymes) including PULs from Bacteroidetes. This suggests a broad degradation of lignocellulose subfractions, even including enzymes with auxiliary activities whose functionality is still puzzling under strict anaerobic conditions.