Das Projekt "Teilprojekt B" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Institut für Angewandte Mikrobiologie (Biologie IV) durchgeführt. Innerhalb dieses Projektes wird ein neuartiger biologischer Fermentationsprozess entwickelt und etabliert, um mittels eines Biokatalysators ein nachhaltiges Biotensid, hier Rhamnolipide und Derivate, zu produzieren. Die in InBioSep zu produzierenden Rhamnolipide führen als Biotenside bereits bei geringen Konzentrationen in der aeroben Fermentation zu starker Schaumbildung, weshalb sie direkt nach der Entstehung abgetrennt werden müssen Eine kontinuierliche in-situ Abtrennung wird daher mittels eines neuartigen Mehrphasen-Schlaufenreaktors realisiert, in welchem das Produkt mit einer flüssig-flüssig Extraktion im Gegenstrom abgetrennt wird. Der Biokatalysator wird so modifiziert, dass er maßgeschneidert für den Fermentationsprozess ist (iAMB). Zudem wird die generelle Handhabung des Biokatalysators, vor allem unter dem Gesichtspunkt einer industriellen Nutzung des Stammes und dem Einsatz desselben in nicht biologischen Laboren erarbeitet. Außerdem wird ein mögliches Betriebsfenster für den Produktionsstamm unter Berücksichtigung der lokalen Bedingungen in dem neuen Reaktor bestimmt. Der Stamm wird weiterhin speziell für eine industrielle Anwendung hin modifiziert. In weiteren Arbeitspaketen wird der Stamm besser an das neuartige Fermentationskonzept angepasst. Dies wird in einem iterativen Prozess, der nur in enger Kooperation mit dem Partner FVT möglich sein wird, geschehen. Für die In-Situ Extraktion wird ein Extraktionsmittel gesucht und der Mehrphasen-Schlaufenreaktor wird für die fermentative Produktion von Rhamnolipiden modifiziert und entwickelt. In diesem wird der Biokatalysator getestet und es wird ein Modell für die Fermentation in dem Mehrphasen-Schlaufenreaktor entwickelt, welches sich zum Scale-up eignet (FVT). Mit einer ökonomischen Analyse wird das Marktpotential für die Produktion von Rhamnolipiden und der Marktübergang der Technologie bewertet und ausgearbeitet (ILR).
Das Projekt "Teilprojekt A" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Aachener Verfahrenstechnik, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik durchgeführt. Innerhalb dieses Projektes wird ein neuartiger biologischer Fermentationsprozess entwickelt und etabliert, um mittels eines Biokatalysators ein nachhaltiges Biotensid, hier Rhamnolipide und Derivate, zu produzieren. Die in InBioSep zu produzierenden Rhamnolipide führen als Biotenside bereits bei geringen Konzentrationen in der aeroben Fermentation zu starker Schaumbildung, weshalb sie direkt nach der Entstehung abgetrennt werden müssen. Eine kontinuierliche in-situ Abtrennung wird daher mittels eines neuartigen Mehrphasen-Schlaufenreaktors realisiert, in welchem das Produkt mit einer flüssig-flüssig Extraktion im Gegenstrom abgetrennt wird. Der Biokatalysator wird so modifiziert, dass er maßgeschneidert für den Fermentationsprozess ist (iAMB). Zudem wird die generelle Handhabung des Biokatalysators, vor allem unter dem Gesichtspunkt einer industriellen Nutzung des Stammes und dem Einsatz desselben in nicht biologischen Laboren erarbeitet. Außerdem wird ein mögliches Betriebsfenster für den Produktionsstamm unter Berücksichtigung der lokalen Bedingungen in dem neuen Reaktor bestimmt. Der Stamm wird weiterhin speziell für eine industrielle Anwendung hin modifiziert. In weiteren Arbeitspaketen wird der Stamm besser an das neuartige Fermentationskonzept angepasst. Dies wird in einem iterativen Prozess in enger Kooperation mit der FVT geschehen. Für die in-situ Extraktion wird ein Extraktionsmittel gesucht und der Mehrphasen-Schlaufenreaktor wird für die fermentative Produktion von Rhamnolipiden modifiziert und entwickelt. In diesem wird der Biokatalysator getestet und es wird ein Modell für die Fermentation im Mehrphasen-Schlaufenreaktor entwickelt, welches sich zum Scale-up eignet (FVT). Mit einer ökonomischen Analyse wird das Marktpotential für die Produktion von Rhamnolipiden und der Marktübergang der Technologie bewertet und ausgearbeitet (ILR).
Das Projekt "Teilprojekt A" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bonn, Institut für Nutzpflanzenwissenschaften und Ressourcenschutz - Phytomedizin, Molekulare Phytomedizin durchgeführt. Pflanzenparasitäre Nematoden führen jedes Jahr weltweit zu großen Verlusten in der landwirtschaftlichen Pflanzenproduktion. Chemische Mittel sind in vielen Ländern - inklusive Deutschland - verboten und resistente oder tolerante Pflanzensorten, wenn erhältlich, lösen das Problem oft nicht ausreichend. Wir haben vor kurzem herausgefunden, dass Rhamnolipide (natürlich vorkommende mikrobielle Moleküle) sehr wirksam gegen Nematoden sind. In NemaContAnt wollen wir am System Zuckerrübe - Rübenzystennematode (Heterodera schachtii) zeigen, dass Rhamnolipide das Potential haben, in ein neues, maßgeschneidertes, biobasiertes und umweltfreundliches Produkt zur Nematodenkontrolle entwickelt zu werden. Durch das Projekt soll eine solide Basis erarbeitet werden, Rhamnolipide als Produkt in Folgeaktivitäten weiterzuentwickeln und einen Transferprozess in die Anwendung voranzubringen. Das Projekt wird von zwei Projektpartnern an der Universität Bonn (MPM) und der RWTH Aachen University (iAMB) durchgeführt. Am iAMB wird die Produktion von Rhamnolipiden verbessert. Dabei wird angestrebt, die Produktausbeute zu erhöhen, die Rhamnolipide strukturell zu diversifizieren und die Reinigung der Moleküle zu optimieren. Der Einsatz von Melasse, einem biologischen, erneuerbaren Rohstoff aus der Zuckerraffinerie zur Produktion von Rhamnolipiden wird erprobt und optimiert. Es erfolgt eine ökonomische Bewertung des Produktionsprozesses. Am MPM werden die vom iAMB hergestellten Rhamnolipide auf ihre Wirksamkeit gegen den Rübenzystennematoden Heterodera schachtii und ihren Einfluss auf die Wirtspflanze untersucht und bewertet. Dadurch soll das vielversprechendste Molekül identifiziert werden. Untersuchungen zur Aufklärung des Wirkungsmechanismus werden durchgeführt und der Einfluss von Rhamnolipiden auf Nicht-Zielorganismen im Pflanzen-assoziierten Mikrobiom wird bestimmt. Es erfolgt ein stetiger Informationsaustausch zwischen den Partnern, um einen optimalen Projektverlauf zu gewährleisten.
Das Projekt "Teilvorhaben B" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von RWTH Aachen University, Institut für Angewandte Mikrobiologie (Biologie IV) durchgeführt. Pflanzenparasitäre Nematoden führen jedes Jahr weltweit zu großen Verlusten in der landwirtschaftlichen Pflanzenproduktion. Chemische Mittel sind in vielen Ländern - inklusive Deutschland - verboten und resistente oder tolerante Pflanzensorten, wenn erhältlich, lösen das Problem oft nicht ausreichend. Wir haben vor kurzem herausgefunden, dass Rhamnolipide (natürlich vorkommende mikrobielle Moleküle) sehr wirksam gegen Nematoden sind. In NemaContAnt wollen wir am System Zuckerrübe - Rübenzystennematode (Heterodera schachtii) zeigen, dass Rhamnolipide das Potential haben, in ein neues, maßgeschneidertes, biobasiertes und umweltfreundliches Produkt zur Nematodenkontrolle entwickelt zu werden. Durch das Projekt soll eine solide Basis erarbeitet werden, Rhamnolipide als Produkt in Folgeaktivitäten weiterzuentwickeln und einen Transferprozess in die Anwendung voranzubringen. Das Projekt wird von zwei Projektpartnern an der Universität Bonn (MPM) und der RWTH Aachen University (iAMB) durchgeführt. Am iAMB wird die Produktion von Rhamnolipiden verbessert. Dabei wird angestrebt, die Produktausbeute zu erhöhen, die Rhamnolipide strukturell zu diversifizieren und die Reinigung der Moleküle zu optimieren. Der Einsatz von Melasse, einem biologischen, erneuerbaren Rohstoff aus der Zuckerraffinerie zur Produktion von Rhamnolipiden wird erprobt und optimiert. Es erfolgt eine ökonomische Bewertung des Produktionsprozesses. Am MPM werden die vom iAMB hergestellten Rhamnolipide auf ihre Wirksamkeit gegen den Rübenzystennematoden Heterodera schachtii und ihren Einfluss auf die Wirtspflanze untersucht und bewertet. Dadurch soll das vielversprechendste Molekül identifiziert werden. Untersuchungen zur Aufklärung des Wirkungsmechanismus werden durchgeführt und der Einfluss von Rhamnolipiden auf Nicht-Zielorganismen im Pflanzen-assoziierten Mikrobiom wird bestimmt. Es erfolgt ein stetiger Informationsaustausch zwischen den Partnern, um einen optimalen Projektverlauf zu gewährleisten.
Das Projekt "Teilvorhaben 3: Metabolomanalyse zur Identifizierung metabolischer Limitationen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Braunschweig, Institut für Biochemie und Biotechnologie, Abteilung Bioinformatik und Biochemie durchgeführt. Ziel des Gesamtprojektes ist es, die konstitutive Rhamnolipidbiosynthese rekombinant in nicht pathogenen Wirten darzustellen, die die Verwertung von Xylose zu erlauben. Der Beitrag unserer Gruppe besteht einerseits aus der experimentellen Charakterisierung der Ausgangsstämme und der Konstrukte durch Metabolomanalyse, andererseits aus der Vorhersage der metabolischen Kapazität der Stämme durch theoretische 'Genome-sized' Stoffwechselmodelle. Hier ist insbesondere die strukturelle und stöchiometrische Modellierung mit Hilfe der Flux-Balance geplant. Unter Verwendung von Optimierungsalgorithmen kann vorhergesagt werden, wie die Stoffproduktion eines bestimmten Produktes durch 'metabolic engineering' verbessert werden kann. 1. Es werden aus bereits aufgestellten Metabolismusmodellen für P. aeruginosa PAO1 mittels in-silico-Flux-Vorhersagen Hypothesen zur Verbesserung der metabolischen Flüsse erarbeitet und anhand der Analyse der externen Stoffproduktion und der experimentellen Metabolom-Analyse an P. putida angepasst. Zur Analyse des Metaboloms stehen GC/MS und LC/MS Methoden zur Verfügung. Eine Reihe von Intermediaten im Biosyntheseweg sind auf Ebene der Metabolite bisher nicht für diese Analysen zugänglich, da entsprechende Referenzverbindungen nicht verfügbar sind, bzw. weil es sich um CoA- gebundene Intermediate handelt. Diese sollen durch Methoden der HPLC/MS-Untersuchung quantifiziert werden. Bei uns wurde kürzlich eine Methode zur massenspektrometrischen Analyse von CoA-Derivaten etabliert. 2. Nach Übertragung der Rhamnolipidbiosynthesegene auf die P. putida Stämme werden diese mittels Metabolomanalysen in einem mehrstufigen Prozess charakterisiert und optimiert. Die so gewonnene Charakterisierung des Stoffwechsels der neuen, rekombinanten Produktionsstämme wird mit der Stoffwechselsituation in P. aeruginosa PAO1 verglichen, um bottle-necks in der Synthese der Rhamnolipide zu identifizieren und Vorschläge für weitere Optimierungen vornehmen zu können.
Das Projekt "Metabolismus von C14-markierten n-Alkanen in Pseudomonas-Arten unter Beruecksichtigung von Rhamnolipiden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Hochschule Aachen, Fachgruppe Biologie, Lehrstuhl für Biologie V (Ökologie, Ökotoxikologie, Ökochemie) durchgeführt. Am Mikroorganismus Pseudomonas aeruginosa wird der Einfluss der Bioverfuegbarkeit auf den Abbau von n-Alkanen untersucht. Es werden gut und schwer abbaubare C14-markierte n-Alkane eingesetzt, wobei der Einfluss der von Pseudomonas produzierten Rhamnolipide (Biotenside) auf Bioverfuegbarkeit, Aufnahme und Metabolismus in die Experimente einbezogen wird.
Das Projekt "Förderschwerpunkt Biotechnologie: ChemBioTec: Umweltschonende Herstellung und Aufreinigung von Biotensiden (Rhamnolipiden) mit dem nicht-pathogenen Bakterium Pseudomonas putida (Phase 2)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Ulm, Institut für Pharmazeutische Biotechnologie durchgeführt. Ziel des Gesamtprojektes (Phase 1 und Phase 2) ist die Entwicklung eines nachhaltigen Produktionsverfahrens für Rhamnolipide mit Hilfe eines nicht-pathogenen Bakteriums als Katalysator und umweltschonender Produktaufarbeitung. Dabei zielt das Projekt durch Bündelung der Expertisen beginnend bei der Stammkonstruktion, über die Optimierung von Stämmen und Verfahrenstechniken bis hin zum Scale-Up und der Entwicklung alternativer Produktaufarbeitungstechniken direkt auf einen Transfer von Technologie der akademischen Partner hin zu den Industriepartnern ab. Durch balanzierte Expression der relevanten Biosynthese Gene/ Operons aus P. aeruginosa im nicht-pathogenen Stamm P. putida, der sich durch eine hohe Toleranz gegenüber dem Rhamnolipid als Produkt auszeichnet, soll dessen Produktivität gesteigert werden. Hierzu wurde in Kooperation mit der Firma Evocatal ein neues System zur Konstruktion und nachfolgenden Durchmusterung von Bibliotheken synthetischer Promotoren entwickelt. Dieses innovative Promoter-Trap-System basiert auf den neuartigen evoglow-Reporterproteinen und wurde bereits genutzt, um eine Promotorbank zu erzeugen, die nunmehr in Kooperation getestet wird. Hierzu wurde die Parallelkultivierung rekombinanter P. putida im BioLector-System erfolgreich etabliert und die Technik genutzt, um die Toleranz der Stämme gegenüber hohen Produkttitern und die Kompatibilität des verwendeten Antibiotikums zu bestätigen. Ferner wurde gezeigt, dass die Schaumbildung keine Limitierung für den Einsatz des Systems darstellt. Somit steht bereits jetzt die notwendige Hochdurchsatzmethodik zur Isolierung geeigneter Promotoren zur Verfügung. Durch Analyse des metabolischen Netzwerks konnte in einem ein ersten erfolgreichen Schritt das Potential des Stammes für eine metabolische Optimierung gezeigt werden. Hierbei wurde die die Rhamnolipidproduktion durch Verwendung einer Mutante des um Vorläufermoleküle konkurrierenden Stoffwechselweg zur Synthese von Polyhydroxyalkanoaten (PHAs) um den Faktor 3,5 gesteigert werden. Ferner wurde eine Entkopplung von Zellwachstum und Rhamnolipidproduktion gezeigt, die eine vereinfachte Optimierung der Leistungsfähigkeit des Wirtsmetabolismus und des genetischen Konstrukts zur Rhamnolipidproduktion erlauben wird. In Up-scaling-Versuchen wurde die rekombinante Produktion von Rhamnolipiden erfolgreich im 50 Liter-Maßstab durchgeführt. Es zeigte sich, dass das gezielte Ausschäumen des Produkts eine Anreicherung um ca. den Faktor 100 erbringen kann, was eine interessante Option zur Verbesserung der Reinigung im Sinne der Umweltfreundlichkeit darstellt. Der Test von Adsorbentien verlief ebenso vielversprechend wie erste Versuche zur Reinigung von Monorhamnolipiden. Die Produktion von Rhamnolipiden war ferner unter Verwendung von Glukose in Mineralmedium möglich. (Text gekürzt)
Das Projekt "Teilvorhaben 1: Iterative Prozessentwicklung zur Stamm- und Verfahrensoptimierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Hohenheim, Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie (150), Fachgebiet Bioverfahrenstechnik (150k) durchgeführt. Rhamnolipide gehören als mikrobiell hergestellt Tenside zu der Gruppe biobasierter Produkte mit denen gleichzeitig ökologische und ökonomische Aspekte adressiert werden können. Dies soll durch die biotechnologische Verwertung von Xylose zu Rhamnolipiden gelingen. Dafür sollen hier zwei Themenbereiche bearbeitet werden: 1. Optimierung der rekombinanten Rhamnolipidproduktion auf Glucosebasis. 2. Erweiterung bestehender Substratspektren in P. putida zur Xyloseverwertung. Die Arbeitsgruppe an der Universität Hohenheim wird die Bioprozessentwicklung und Stammevaluation bearbeiten. Dabei werden insbesondere die Prozessoptimierung und Scale-up Strategie für die Übertragung in den industriellen Maßstab bearbeitet sowie die Identifizierung der Nebenprodukte von P. putida, und die Charakterisierung der neuen Rhamnolipidproduktions-Stämme durchgeführt.
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