Estrategias de modelado matemático para el diseño y optimización de sistemas biotecnológicos

ESTRADA, VANINA; DELPINO, CLAUDIO; LASRY TESTA, ROMINA; GARCIA PRIETO, C.; RAMOS, FEMANDO D.; JIMENA DI MAGGIO; DIAZ, MARÍA S.

Bahía Blanca

Simposio; XI Simposio Nacional de Biotecnología REDBIO Argentina 2017; 2017

CERZOS

Los modelos matemáticos son herramientas útiles para lograr un diseño más rápido, económico y eficiente de un bioproceso. Pueden utilizarse para describir y optimizar distintas etapas y componentes de los bioprocesos, desde el metabolismo del microorganismo y su consecuencia a nivel del biorreactor, hasta una biorrefinería integrada. Por un lado, los modelos de redes metabólicas de microorganismos son útiles para entender el funcionamiento celular completo y para diseñar cepas productoras de un compuesto de interés bajo el concepto de fábricas celulares. Las herramientas tales como el Análisis de Balance de Flujo (Flux Balance Analysis) nos permiten conocer los rendimientos teóricos máximos de biomasa y de metabolitos de interés teniendo en cuenta diferentes ambientes extracelulares, mientras que existen distintos enfoques de programación matemática para el diseño de cepas in silico que indican estrategias óptimas de ingeniería metabólica. Además, estos modelos pueden ser integrados con datos ómicos que brinden información del fenotipo del microorganismo (metabolómicos, proteómicos, flujos intracelulares, etc.). En una escala mayor se encuentran los modelos de biorreactores, donde se formulan balances de masa para los principales componentes (biomasa, sustratos y productos) teniendo en cuenta cinéticas de crecimiento, mortalidad, consumo de sustratos, inhibición del crecimiento, entre otras. Estos modelos, una vez calibrados, permiten optimizar las condiciones de operación del biorreactor para maximizar la producción del metabolito deseado. Asimismo, los modelos de biorreactores pueden ser integrados a modelos de redes metabólicas a partir de estrategias tales como el Análisis de Balance de Flujo Dinámico (Dynamic Flux Balance Analysis) la cual provee información valiosa de las interacciones dinámicas entre el metabolismo celular y los cambios ambientales que se dan en biorreactores operados de manera batch y fed-batch. Además, este enfoque provee información de los efectos dinámicos de modificaciones genéticas y procesos de regulación sobre la producción de los metabolitos de interés biotecnológico. Por otra parte, en una escala más global se encuentran los modelos de biorrefinerías integradas que nos dan información acerca de la factibilidad de producción de biocombustibles y compuestos de alto valor agregado en diferentes escenarios, permitiendo incorporar información de las demandas y políticas regionales. En este trabajo se presentarán ejemplos de modelos matemáticos formulados en diferentes escalas desarrollados por el grupo para la producción de biocombustibles y productos de alto valor agregado, destacando en cada caso su potencial utilidad en el desarrollo de un bioproceso con un enfoque de sistemas.