Estrategias de Optimización Aplicadas a Modelos de Redes Metabólicas de Cianobacterias para Mejorar la Produccion de Bioetanol

ROMINA LASRY TESTA; CLAUDIO A. DELPINO; ESTRADA, VANINA; M. SOLEDAD DIAZ

Bahía Blanca

Congreso; IX Congreso Argentino de Ingeniería Química; 2017

Asociación Argentina de Ingeniería Química

Con el aumento de la disponibilidad de modelos de redes a escala genómica (GEMs) se hacomenzado a estudiar la produccion de bioetanol con cianobacterias, específicamenteSynechocystis sp. PCC6803 (Synechocystis), dentro del ámbito de la biología de sistemas. Unaestrategia prometedora para la produccion de bioetanol en Synechocystis es lograr unacoplamiento entre su produccion y el crecimiento por medio del knock-outs de genes. En estetrabajo formulamos un problema de optimización binivel en el cual se minimiza la produccion deetanol sujeta a las restricciones de los balances de masa de la red en el problema interno y seminimizan las intervenciones requeridas para alcanzar el acoplamiento requerido en el problemaexterno. Las intervenciones se consideran como knock-outs de genes que se introducen pormedio de variables binarias y un mapeo entre los genes y las reacciones del modelo. El problemabinivel se reformula en un problema lineal mixto entero (MILP) utilizando la teoría de dualidad.Las restricciones del problema interno se aumentan con sus correspondientes restriccionesduales y se impone la condición de dualidad fuerte. En la función objetivo del problema dualaparecen términos bilineales que se eliminan con las linealizaciones exactas propuestas porGlover (1975), obteniéndose un problema MILP. En este trabajo, esta estrategia se aplica a unared metabólica a escala genómica de Synechocystis desarrollada en el grupo de investigación,basada en una red publicada por Knoop et al. (2013), a la cual se incorporaron reacciones deintercambio y la vía de produccion de etanol, entre otras modificaciones. El modelo contiene 671reacciones y 523 metabolitos. Los problemas se resuelven con GAMS usando CPLEX en untiempo de aproximadamente 30 minutos y se obtienen dos mutantes que acoplan la producciónde etanol al crecimiento satisfactoriamente. Los mutantes de este tipo presentan la ventaja deasegurar la producción de etanol durante toda la ventana de crecimiento del microorganismo.Sin embargo, las producciones de etanol obtenidas no son lo suficientemente altas ya que lacélula utiliza gran parte de sus recursos para el crecimiento. Por esto se plantea otra estrategiaque prioriza la produccion de etanol frente al crecimiento que se basa en el comportamiento delmicroorganismo bajo limitación de nitrógeno. Hay evidencia experimental de que en estascondiciones Synechocystis acumula compuestos de reserva, lo que lleva a pensar en unaestrategia de produccion de etanol en dos etapas: una para crecimiento y otra para produccionde etanol con crecimiento en estado estacionario. Los resultados numéricos proveen distintasalternativas para maximizar la producción de etanol a partir de cianobacterias