Thesis (Ph. D.)--Princeton University, 1933.

Thesis (Ph. D.)--Princeton University, 1933.

Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: Most terrestrial plants make use of beneficial symbiotic associations to obtain nutrients (eg. nitrogen (N) and phosphorous (P)) from fungi in exchange for photoautotrophic carbon. However, plant parasitism (defined here as the ability of certain plants to parasitize other living material) has evolved in the plant kingdom and such plants obtain some, or all, of their nutritional needs from a host, which is severely negatively impacted by the parasite. While the physiological adaptations are well studied, the underlying molecular and biochemical mechanisms of plant parasitism remain largely unknown. As a first approach, a biochemical blueprint of primary metabolites present within parasitic plant species was constructed. The metabolomes of nineteen parasitic plants, ranging from hemi- and holoparasitism to mycoheterotrophism, were profiled via gas chromatography mass spectrometry (GC MS) based technology and targeted spectrophotometric assays. Based on these analyses, three important observations were made. First, parasitic plants were severely carbon deprived, despite being successful in colonizing and exploiting their hosts. Second, the levels of organic acids participating in mitochondrial respiration decreased and certain amino acids and soluble protein content increased. This suggests that parasitic plants utilize alternative respiratory substrates to compensate for a limitation in carbon supply. Third, although characterized by reduced carbohydrate pools, minor sugars normally not associated with plant metabolism, dominated the soluble sugar pool. The presence and significance of one of these sugars, namely turanose (α-D-glucopyranosyl-(1→3)-α-D-fructofuranose), was further investigated. Turanose biosynthetic reactions could be demonstrated in Orobanche minor extracts. Protein purification and mass spectrometry identification suggested that turanose biosynthesis occurred uniquely in parasitic plants. Future work will elucidate the functional significance of turanose metabolism in plant parasitism. Taken together, this study significantly contributes to our understanding of plant parasitism through development of metabolic signatures associated with distinct parasitic classes. These biochemical profiles highlighted several important strategies and alternative metabolic pathways that are either expressed or constitutively activated during parasitism. This knowledge broadens the scope of using parasitic plants in several biotechnological applications or as a novel research tool to address fundamental questions in plant science. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Meeste landelike plante maak gebruik van voordelige simbiotiese assosiasies met swamme om voedinsgtowwe (bv. stikstof (N) en fosfor (P)) van hulle te verkry in ruil vir koolstof geproduseer deur die plant. Plant parasitisme (gedefinieer hier as die vermoë van sekere plante om ander lewende materiaal te parasiteer) het ontwikkel in die planteryk waar hulle sommige, of al hul voedings stowwe van 'n gasheer plant ontvang, wat erg negatief geraak word deur die parasiet. Terwyl die fisiologiese aanpassings goed gebestudeer is, is die onderliggende molekulêre en biochemiese meganismes van plant parasitisme steeds grootliks onbekend. As 'n eerste benadering, was hierdie projek geïnisieer om 'n biochemiese bloudruk op te bou van primêre metaboliete teenwoordig in parasitiese plante. Die metabolome van negentien parasitiese spesies, wat wissel van hemi - en holoparasiete tot mikoheterotrofiese plante, is ondersoek deur gas chromatografie – massa spektrometrie (GC MS) gebaseerde tegnologie en geteikende spektrofotometriese toetse. Gebaseer op hierdie ontledings was drie belangrike waarnemings gemaak. Eerstens, parasitiese plante was erg koolstof arm, ten spyte daarvan dat hulle suksesvol is in die aanhegting en ontginning van voedingstowwe vanaf gasheer plante. Tweedens, die vlakke van organiese sure wat deelneem aan mitochondriale respirasie het afgeneem, terwyl sekere aminosure en oplosbare proteïen inhoude toegeneem het. Dit dui daarop dat parasitiese plante gebruik maak van alternatiewe respiratoriese substrate om te vergoed vir 'n beperking in koolstof aanbod. Derde, alhoewel parasitiese plante gekenmerk word deur verminderde koolhidraat inhoude, het skaarse suikers wat normaalweg nie verband hou met plant metabolisme nie, hulle oplosbare suiker inhoud oorheers. Die teenwoordigheid en betekenis van een van hierdie suikers, naamlik turanose (α -D -glucopyranosyl-(1→3)-α-D-fructofuranose), was verder ondersoek. Die sintese reaksie van turanose kan gedemonstreer word in Orobanche hederae uittreksels. Proteïen suiwering en massa spektrometrie identifikasie het voorgestel dat turanose biosintese uniek plaasvind in parasitiese plante. Toekomstige werk sal aandui wat die betekenis is van turanose metabolisme in plant parasitisme. Saamgevat het hierdie studie aansienlik bygedra tot ons begrip van plant parasitisme deur ontwikkeling van metaboliese handtekeninge wat verband hou met onderskeie parasitiese klasse. Hierdie biochemiese profiele beklemtoon verskeie belangrike strategieë en alternatiewe metaboliese paaie wat óf uitgedruk of konstitutief geaktiveer word tydens parasitisme. Hierdie kennis verbreed die omvang van die gebruik van parasitiese plante in verskeie biotegnologiese toepassings of as 'n nuwe navorsings instrument om fundamentele vrae in plant wetenskap aan te spreek.

Les amylosaccharases sont des α-transglucosylases catalysant naturellement la synthèse exclusive d’α-1,4-glucanes à partir du saccharose. Ces enzymes produisent également des composés secondaires et, en particulier, des isomères du saccharose tels que le turanose et le tréhalulose.L’objectif de cette thèse a consisté à utiliser un panel de techniques biophysiques et biochimiques afin d’étudier les amylosaccharases de Deinococcus geothermalis (ASDg) et Neisseria polysaccharea (ASNp) afin de comprendre les relations unissant la structure, la flexibilité et la fonction de ces enzymes.La première étude rapporte la caractérisation structurale et biophysique de l’amylosaccharase la plus thermostable connue à ce jour, l’amylosaccharase de Deinococcus geothermalis. La structure tridimensionnelle révèle une organisation dimérique en solution, jamais rapportée pour une amylosaccharase. Grâce à l’analyse de l’interface dimérique et à des travaux d’analyse de séquences, une séquence signature de dimérisation a été identifiée. En rigidifiant la structure de l’ASDg, la structure quaternaire contribue à l’augmentation de la stabilité thermique de la protéine. La spécificité de production des isomères du saccharose par les amylosaccharases a été étudiée. Les résultats décrivent, pour la première fois, les structures de l’ASDg et de l’ASNp en complexe avec le turanose. Dans l’ASNp, les résidus clefs forcent le résidu fructosyle à adopter une conformation linéaire positionnant idéalement le O3’ pour sa glucosylation expliquant la formation préférentielle de turanose par l’enzyme. Ces résidus sont absents ou placés différemment dans l’ASDg. En conséquence, l’ASDg lie principalement les formes furanoses du fructose avec un faible réseau d’interactions. La topologie du sous-site +1 permet donc différents modes de liaison du fructose en accord avec la capacité de l’ASDg à produire une plus grande quantité de tréhalulose par rapport à l’ASNp.Dans la seconde étude, des techniques de mutagenèse à saturation et combinatoire ciblées sur les acides aminés voisins du site actif ont été utilisées pour modifier la spécificité d'accepteur de l’ASNp. Le criblage de trois bibliothèques semi-rationnelles représentant un total de 20 000 variants a permis d’isoler trois doubles mutants montrant une amélioration spectaculaire de spécificité à la fois vis-à-vis du saccharose, le substrat donneur et de l’accepteur α-allyl-N-acetyl-2-désoxy-α-D-glucopyranoside par rapport au type sauvage de l’ASNp. De tels niveaux d'amélioration d'activité n'ont jamais été signalés auparavant pour cette classe d’enzymes actives sur les sucres. L’analyse par cristallographie des rayons X de la structure des meilleures enzymes mutantes suivie par des simulations de dynamique moléculaire ont montré une rigidité locale du sous-site -1 couplée à une flexibilité des boucles impliquées dans la topologie du site actif. Ces faits pourraient être à l’origine des performances catalytiques accrues de ces enzymes mutantes. L'étude démontre l'importance, lors de la conception des bibliothèques de variants, de tenir compte de la conformation locale des résidus catalytiques ainsi que de la dynamique des protéines au cours du processus catalytique / Amylosucrases are sucrose-utilizing α-transglucosylases that naturally catalyze the synthesis of α-glucans, exclusively linked through α-1,4 linkages. Side-products and in particular sucrose isomers such as turanose and trehalulose are also produced by these enzymes.The objective of this thesis concerned the application of biophysical and biochemical techniques to study amylosucrases from Deinococcus geothermalis (DgAS) and Neisseria polysaccharea (NpAS) in order to investigate relationships between structure, flexibility and function of these enzymes.In the first study, we report the first structural and biophysical characterization of the most thermostable amylosucrase identified so far, the amylosucrase from Deinoccocus geothermalis. The 3D-structure revealed a homodimeric quaternary organization, never reported before for other amylosucrases. A sequence signature of dimerization was identified from the analysis of the dimer interface and sequence alignments. By rigidifying DgAS structure, the quaternary organization is likely to participate in the enhanced thermal stability of the protein. Amylosucrase specificity with respect to sucrose isomer formation (turanose or trehalulose) was also investigated. We report the first structures of the DgAS and NpAS in complex with turanose. In NpAS, key residues were found to force the fructosyl moiety to bind in an open state with the O3' ideally positioned to explain the preferential formation of turanose by NpAS. Such residues are either not present or not similarly placed in DgAS. As a consequence, DgAS binds the furanose tautomers of fructose through a weak network of interactions to enable turanose formation. Such topology at subsite +1 is likely favoring other possible fructose binding modes in agreement with the higher amount of trehalulose formed by DgAS.In the second study, iterative saturation mutagenesis and combinatorial active site saturation focused on vicinal amino acids were used to alter the acceptor specificity of NpAS and sort out improved variants. From the screening of three semi-rational sub-libraries accounting in total for 20,000 variants, we report here the isolation of three double-mutants displaying a spectacular specificity enhancement towards both sucrose, the donor substrate, and the α-ally-N-acetyl-2-deoxy-α-D-glucopyranoside acceptor compared to wild-type N. polysaccharea amylosucrase. Such levels of activity improvement have never been reported before for this class of carbohydrate-active enzymes. X-ray structural analysis of the best performing enzymes followed by Molecular Dynamics simulations showed both local rigidity of the -1 subsite and flexibility of loops involved in active site topology which both account for the enhanced catalytic performances of the mutants. The study well illustrates the importance when designing enzyme libraries of taking into account the local conformation of catalytic residues as well as protein dynamics during the catalytic process