Desarrollo y aplicación de estrategias de optimización para el diseño óptico de redes metabólicas y procesos biotecnológicos
Las cianobacterias tienen potencial como productoras de biocombustibles y otros productos químicos, ya que pueden crecer utilizando el CO2 presente en la atmósfera como fuente de carbono, la luz como fuente de energía y el agua como fuente de electrones. Esto resulta atractivo en el contexto actu...
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| Formato: | Online |
| Idioma: | spa |
| Publicado: |
2020
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| Acceso en línea: | http://repositoriodigital.uns.edu.ar/handle/123456789/4881 |
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| Sumario: | Las cianobacterias tienen potencial como productoras de biocombustibles y otros productos químicos, ya que pueden crecer utilizando el CO2 presente en la atmósfera como fuente de carbono, la luz como fuente de energía y el agua como fuente de electrones. Esto resulta atractivo en el contexto actual de cambio climático ocasionado por las elevadas concentraciones de CO2 en la atmósfera. En esta tesis se estudia la producción de etanol de cuarta generación y polihidroxibutirato (PHB) a partir de la cianobacteria Synechocystis sp. PCC 6803, con un enfoque de Ingeniería de Sistemas Metabólicos. En primer lugar, se cura un modelo estequiométrico de escala genómica (GEM) de dicha cianobacteria con información bibliográfica específica actualizada, con el objetivo de mejorar las predicciones in silico. Luego, el GEM es validado frente a datos experimentales fisiológicos y datos de fluxómica, demostrándose que la curación resulta efectiva en mejorar las predicciones del modelo. Con el modelo curado y validado, se formulan problemas de programación binivel para buscar estrategias de acoplamiento, a través de la supresión de genes, entre el crecimiento y la producción del compuesto de interés con el objetivo de convertir al metabolito deseado en un subproducto obligado del crecimiento y que en consecuencia, su producción resulte una parte integral de la función metabólica del organismo. Matemáticamente, las intervenciones genéticas se representan por medio de variables binarias asociadas a dichos genes. Estos problemas son reformulados por medio de la teoría de la dualidad, obteniéndose como resultado problemas de programación mixta entera lineal (MILP) en un solo nivel que se resuelven tanto para el caso de etanol como para el de PHB. Existen en bibliografía formulaciones de este tipo, aunque con variables binarias asociadas a reacciones. El aporte realizado en esta tesis al incorporar asociación de variables binarias a genes es un avance en el agregado de información biológica a este tipo de formulaciones. En el caso del etanol se obtienen dos mutantes factibles que presentan diferentes estrategias de intervención para acoplar la producción al crecimiento, una relacionada con la producción de acetato y la otra, con el balance celular de poder reductor, siendo el segundo caso el más prometedor desde el punto de vista biotecnológico ya que aumenta en un 235 % la productividad de la cepa con respecto a las productividades presentadas en bibliografía. Para este producto, también se estudia la posibilidad de producción con una estrategia en dos etapas. En dicha estrategia, se considera un primer biorreactor con condiciones que maximicen el crecimiento y un segundo biorreactor donde un nutriente limita dicho crecimiento y se favorece la producción de etanol. Esta estrategia mejora aún más los índices de producción. En el caso de PHB también se obtienen dos mutantes factibles, pero la estrategia de acoplamiento no varía. La diferencia entre ambos son dos intervenciones más, que hacen que la tasa de producción de PHB aumente un 25%. La estrategia, en este caso, también está relacionada con el balance de poder reductor de la red, pero se observan mayores cambios en los flujos metabólicos internos que para el caso del etanol. La productividad del mejor mutante se analiza en condiciones de exceso y de limitación de nutrientes. Las productividades obtenidas vuelven atractiva la realización de experimentos in vivo para avanzar en el diseño de cepas de Synechocystis como fábricas celulares de etanol de cuarta generación y de bioplásticos. Los modelos desarrollados constituyen herramientas útiles para el diseño de cepas industriales para la producción fotosintética no solo de biocombustibles y bioplásticos, sino también de compuestos de interés en una gran variedad de industrias como la farmacéutica, la nutracéutica, de biofertilizantes, entre otros. |
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