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

LASRY TESTA, R.; DELPINO, C.; ESTRADA, V.; DIAZ, M. S.

Congreso; IX Congreso Argentino de Ingenieria Quimica; 2017

Con el aumento de la disponibilidad de modelos de redes a escala genómica (GEMs) se ha comenzado a estudiar la produccion de bioetanol con cianobacterias, específicamente Synechocystis sp. PCC6803 (Synechocystis), dentro del ámbito de la biología de sistemas. Una estrategia prometedora para la produccion de bioetanol en Synechocystis es lograr un acoplamiento entre su produccion y el crecimiento por medio del knock-outs de genes. En este trabajo formulamos un problema de optimización binivel en el cual se minimiza la produccion de etanol sujeta a las restricciones de los balances de masa de la red en el problema interno y se minimizan las intervenciones requeridas para alcanzar el acoplamiento requerido en el problema externo. Las intervenciones se consideran como knock-outs de genes que se introducen por medio de variables binarias y un mapeo entre los genes y las reacciones del modelo. El problema binivel se reformula en un problema lineal mixto entero (MILP) utilizando la teoría de dualidad. Las restricciones del problema interno se aumentan con sus correspondientes restricciones duales y se impone la condición de dualidad fuerte. En la función objetivo del problema dual aparecen términos bilineales que se eliminan con las linearizaciones exactas propuestas por Glover (1975), obteniéndose un problema MILP. Este problema es aplicado a un GEM de Synechocystis basado en uno publicado por Knoop et al. (2013) al cual agregamos reacciones de intercambio y la vía de produccion de etanol, entre otras modificaciones. El modelo contiene 671 reacciones y 523 metabolitos. Los problemas se resuelven con GAMS usando CPLEX en un tiempo de aproximadamente 30 minutos y se obtienen dos mutantes que acoplan la produccion de etanol al crecimiento satisfactoriamente. Los mutantes de este tipo presentan la ventaja de asegurar la produccion de etanol durante toda la ventana de crecimiento del microorganismo, sin embargo, las producciones de etanol obtenidas no son lo suficientemente altas ya que la célula utiliza muchos recursos para el crecimiento. Por esto se plantea otra estrategia que priorizaría la produccion de etanol frente al crecimiento que se basa en el comportamiento del microorganismo bajo limitación de nitrógeno. Hay evidencia experimental de que en estas condiciones Synechocystis acumula compuestos de reserva, lo que lleva a pensar en una estrategia de produccion de etanol en dos etapas: una para crecimiento y otra para produccion de etanol con crecimiento en estado estacionario.