Biotechnological prospects of rhamnolipids: production, surface tension activity, environmental applications and antimicrobial therapeutic potential

Abstract

The assessment of rhamnolipids as multifunctional biosurfactants has become increasingly relevant due to their expanding roles in both environmental protection and healthcare applications. In this context, the main objectives of this dissertation were: (i) to provide a detailed and comprehensive review of rhamnolipids and (ii) to generate new knowledge that deepens our understanding of rhamnolipid–environment interactions, particularly regarding their antimicrobial potential and environmental applications. This dissertation is composed of two complementary chapters. The first chapter presents a comprehensive review of rhamnolipids, addressing their biosynthetic pathways, ecological and physiological functions, and physicochemical properties. Additionally, this chapter examines their potential as environmentally friendly alternatives to synthetic surfactants and as tools in the biomedical field, including their reported anti-cancer, antitumor, and antimicrobial activities. The chapter also discusses the main challenges that currently limit the large-scale application of rhamnolipids, such as high production costs, variability in biological performance, and biosafety concerns associated with pathogenic Pseudomonas strains. Chapter II focuses on the characterization of three Pseudomonas aeruginosa strains from the culture collection of the Laboratório de Biotecnologia e Biodiversidade para o Meio Ambiente (P. aeruginosa LBBMA 58, LBBMA 79, and LBBMA 92). These strains were identified by partial sequencing of the taxonomic marker genes rpoD, gyrB, and 16S rRNA. Additionally, rhamnolipid production by each strain was quantified, and their congener composition was subsequently determined. This chapter includes a physicochemical assessment of the rhamnolipids produced by the three P. aeruginosa strains, including their potential as emulsifiers and surface tension–reducing agents. Their biological activities were also evaluated, considering both environmental applications and antimicrobial potential. The bacterial species Escherichia coli and Staphylococcus aureus, as well as the fungus Corynespora cassiicola, a phytopathogen of importance in soybean crops, were used as model microorganisms. Keywords: biosurfactants; characterization; antimicrobial agent; interactions; biosafety

A avaliação dos ramnolipídeos como biossurfactantes multifuncionais tem-se tornado cada vez mais relevante devido ao seu papel crescente tanto na proteção ambiental quanto em aplicações na área da saúde. Neste contexto, os principais objetivos desta dissertação foram: i) fornecer uma revisão detalhada e abrangente sobre os ramnolipídeos e ii) fornecer novos conhecimentos que aprofundem a nossa compreensão das interações ramnolipídeos-ambiente, incluindo sua ação como agentes antimicrobianos e sua aplicação no campo ambiental. Tendo em conta isso, esta dissertação é composta por dois capítulos complementares. O primeiro capítulo é composto de uma revisão abrangente centrada unicamente nos ramnolipídeos, abordando as suas vias biossintéticas, as suas funções ecológicas e fisiológicas, bem como as suas propriedades físico-químicas. Adicionalmente, esta dissertação visa investigar o seu potencial como alternativas ecológicas aos surfactantes sintéticos e como uma ferramenta no campo biomédico, atuando como agente anticancerígeno, antitumoral e antimicrobiano. Ademais, este capítulo explora os desafios que atualmente limitam a aplicação em larga escala dos ramnolipídeos, incluindo os elevados custos de produção, a variabilidade no desempenho biológico e as preocupações de biossegurança associadas a estirpes patogénicas de Pseudomonas. O Capítulo II centra-se na caracterização das três estirpes de Pseudomonas aeruginosa pertencente à coleção de culturas do Laboratório de Biotecnologia e Biodiversidade para o Meio Ambiente (P. aeruginosa LBBMA 58, LBBMA 79 e LBBMA 92). Estas estirpes foram identificadas por meio do sequenciamento parcial dos genes marcadores taxonômicos rpoD, gyrB e 16S rRNA. Adicionalmente, foi determinada a produção de ramnolipídeos por cada estirpe através da quantificação do rendimento e, subsequentemente, foi estabelecida a sua composição em congéneres. O capítulo inclui uma avaliação físico-química dos ramnolipídeos produzidos pelas três estirpes de P. aeruginosa, incluindo o seu potencial como emulsificantes e como agentes redutores da tensão superficial. As suas atividades biológicas foram também avaliadas, considerando tanto aplicações ambientais como seu potencial antimicrobiano. Como microrganismos-modelo, foram utilizadas as espécies bacterianas Escherichia coli e Staphylococcus aureus e o fungo Corynespora cassiicola, um fitopatógeno de importância na cultura da soja. Palavras-chave: biossurfactantes; caracterização; agente antimicrobiano; interações; biossegurança