SEED FUND 2.0 - Perspektivprojekt DesignR

Tailoring Biosurfactants – Production of Designer Rhamnolipids

Ergebnisse

Tenside sind Moleküle, die die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten herabsetzen und somit eine bessere Mischbarkeit verschiedener Phasen (z. B. Wasser und Öl) bedingen. Diese einzigartige Eigenschaft wird in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt, z. B. in Haushaltsreinigern, Arzneimitteln oder Kosmetika. Biotenside, wie z.B. Glykolipide wie Rhamnolipide (RL), können durch Fermentation aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden.

RL als industriell etabliertes Beispiel für ein Glykolipid sind zusammengesetzt aus bis zu zwei Rhamnose-Einheiten (hydrophiler Teil) und zwei β-Hydroxyalkansäuren (HAA) mit unterschiedlichen Kettenlängen zwischen C8-C24 (hydrophober Teil). Verschiedene Kongenere von RLs werden sich in ihren physicochemischen Eigenschaften unterscheiden; die Beziehung zwischen der strukturellen Vielfalt von RLs und ihren Eigenschaften ist jedoch noch unklar.

Das DesignR-Projekt stellt hierfür eine modulare Produktionsplattform für verschiedene Rhamnolipid-Kongenere (RL) unter Nutzung unterschiedlicher Kohlenstoffquellen bereit. Durch die Kombination die RL-Gene rhlA, rhlB und rhlC aus verschiedenen Organismen in unterschiedlichen Kopienzahlen, Integrationsmodi und Expressionsstärken konnten neuen P. putida-Produktionsstämme konstruiert werden zur Produktion von maßgeschneiderten Mischungen von RL, die sich in der Anzahl der Rhamnoseeinheiten und der Länge der Fettsäureketten unterscheiden. Die jeweiligen Expressionsmodule, ergänzt durch eYFP zur Online-Überwachung der Expression, wurden in optimierte P. putida-Stämme eingebracht, um die RL-Produktion auf alternativen Kohlenstoffquellen aus nachwachsenden Rohstoffen (Xylose, Ethanol oder 1,4-Butandiol) zu realisieren. Die RL-Produktion auf Basis der verschiedenen Kohlenstoffquellen war mit der Produktion auf Basis von Glukose vergleichbar. Ein innovativer Ansatz, bei dem die CO₂ als Co-Substrat gefüttert wurde, half, die Titer um weitere 10 % zu erhöhen. Das eYFP-Monitoring erwies sich hierbei als wertvolles Werkzeug für das Screening der RL-Produktion im Hochdurchsatzverfahren.

Da die Produktion einer bestimmten RL-Spezies in biologischen Systemen nicht zu 100 % vollständig abläuft, wurde die Normalphasenchromatographie zur Trennung der Spezies etabliert. Adsorptionsisothermen zeigten eine stärkere Wechselwirkung von dRL mit der Silica-Matrix als mRL und HAA, was eine erfolgreiche Trennung von HAA, mRL und dRL aus Fermentationsbrühenextrakten in einem halbpräparativen Chromatographie-Maßstab ermöglichte. Schließlich wurden neue Glykosyltransferase-Gene von bisher unbekannten Produzentenstämmen identifiziert, mit dem Potential, die DesignR-Glykolipid-Plattform in Zukunft weiter auszubauen.

Die in diesem Projekt entwickelte Produktions- und Screening-Plattform auf der Basis von P. putida ist ein weiterer Schritt in Richtung einer nachhaltigen Produktion von maßgeschneiderten RL-Gemischen für technologische Anwendungen.

SEED FUND 2.0 Projektleiter

Carl Brehl
Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (AVT.BioVT)
RWTH Aachen University

Partner

Prof. Jaeger, Dr. Stephan Thies and Sonja Kubicki, Institut für Molekulare Enyzmtechnologie (IMET), Heinrich Heine-Universität Düsseldorf
Prof. Andreas Jupke and Andreas Biselli, Fluidverfahrenstechnik (AVT.FVT), RWTH Aachen Universität
Prof. Jochen Büchs and Dr. Nina Ihling, Bioverfahrenstechnik (AVT.BioVT), RWTH Aachen Universität

Projektlaufzeit

01.08.2020 - 31.10.2021

Förderung

DesignR ist Teil des NRW-Strategieprojekts BioSC und wurde vom Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert.

Publikationen

Gauthier, C, Lavoie, S, Kubicki, S, Piochon, M, Cloutier, M, Dagenais-Roy, M, Groleau, M-C, Pichette, A, Thies, S and Déziel, E (2024). Structural characterization of a nonionic rhamnolipid from Burkholderia lata. Carbohydrate Research 535: 108991.  

 Filbig, M, Kubicki, S, Bator, I, Hausmann, R, Blank, LM, Henkel, M, Thies, S and Tiso, T (2023). Chapter 8 - Metabolic and process engineering on the edge—Rhamnolipids are a true challenge: A review. Biosurfactants. Soberón-Chávez, G., Academic Press: 157-181.