Modelación metabólica de compuestos de reserva de Saccharomyces cerevisiae

Abstract

El cultivar Saccharomyces cerevisiae para aplicaciones en la industria alimentaria o para la producción de bioetanol como biocombustible, presenta aún importantes retos tecno-económicos como un proceso de la industria biotecnológica. La concentración final de trehalosa y glucógeno en las células es utilizada como parámetro de calidad en la industria alimentaria. Además se asocia a estos dos compuestos la capacidad de la levadura a sobrevivir en condiciones adversa de crecimiento, tales como ambientes oxidativos, altas osmolaridades, limitación de nutrientes, temperaturas elevadas y presencia de sustancias tóxicas. La modelación metabólica del metabolismo celular aplicado en la producción de biológicos regularmente mejora rendimientos, sin embargo para aplicaciones industriales el modelo debe ser lo más simple posible con el fin de lograr que sea técnicamente útil y viable. En el primer capítulo se describe un análisis entre una descripción de caja negra y una red metabólica simplificada. En el segundo capítulo se describe la obtención de un modelo metabólico a partir de un análisis de flujo metabólico en una red metabólica simplificada que permita predecir la concentración de trehalosa y glucógeno en Saccharomyces cerevisiae. En ambos casos se tomaron en cuenta las principales reacciones involucradas en el crecimiento de la levadura y la síntesis de estos compuestos (bioetanol, trehalosa y glucógeno) y, se llevó a cabo un análisis riguroso de las velocidades de reacción permitiendo la estimación de la concentración de etanol producido en cultivos por lote alimentado, y la acumulación de trehalosa y glucógeno en cultivos continuos. Se interpretó el estado fisiológico de la levadura en cultivos por lote alimentado a diferentes concentraciones de glucosa alimentada mediante un análisis estequiométrico asociado a la ruta metabólica simplificada. Los resultados confirman que el aumento en las velocidades de consumo de glucosa, controlados principalmente por la su concentración en la corriente de alimentación, produce una regulación en el catabolismo reductivo por lo que la excreción de etanol se incrementó. La producción de la biomasa recae normalmente del catabolismo oxidativo, que es controlado por las velocidades de consumo de la glucosa y oxígeno. Por lo tanto la producción de biomasa o etanol depende del estado fisiológico de la levadura en el cultivo, que puede ser inferido a partir de un apropiado balance de flujos metabólicos. Por otro lado, se logró interpretar el estado fisiológico de la levadura en cultivos continuos en presencia y ausencia de una fuente nitrogenada un análisis estequiométrico asociado a la ruta metabólica simplificada. Los resultados confirman que la ausencia de nitrógeno en el cultivo incrementa la velocidad de síntesis de trehalosa y la de consumo de glucógeno, activándose al metabolismo de reserva y protección de S. cerevisiae, ante la ausencia de un nutriente esencial en el medio de cultivo. Por lo tanto la concentración de trehalosa y glucógeno en la célula depende del estado fisiológico de la levadura en el cultivo, que puede ser inferido a partir de un apropiado balance de flujos metabólicos.

Growing Saccharomyces cerevisiae for applications in the food industry or to produce ethanol as a biofuel, still has important techno-economic challenges as a process of the biotechnology industry. The final concentration of trehalose and glycogen in cells is used as a benchmark for quality in the food industry. Also associated with these two compounds the ability of yeast to survive in adverse growing conditions such as oxidative environment, high osmolarity, nutrient limitation, high temperature and presence of toxic substances. Metabolic modeling of cellular metabolism applied in the production of biological usually improves performance, but for industrial applications, the model should be as simple as possible in order to make it useful and technically feasible. In the first chapter describes an analysis from a description of black box and a simplified metabolic network. The second chapter describes the production of a metabolic model based on an analysis of metabolic flux in a simplified metabolic network to predict the concentration of trehalose and glycogen in Saccharomyces cerevisiae . In both cases it took into account the main reactions involved in the growth of yeast and the synthesis of these compounds (ethanol, trehalose and glycogen), and took out a rigorous analysis of the reaction rates allowing the estimation of the concentration of ethanol produced in fed-batch cultures and the accumulation of trehalose and glycogen in continuous culture. We interpreted the physiological state of yeast in fed-batch cultures at different concentrations of glucose fed by a stoichiometric analysis associated with the simplified pathway. The results confirm that the increase in the rates of glucose uptake, mainly controlled by the concentration in the feed stream, produces a reductive catabolism regulation so that the excretion of ethanol increased. Biomass production is associated to oxidative catabolism, which is controlled by the speed of consumption of glucose and oxygen. Therefore the biomass or ethanol production depends on the physiological state of yeast culture, which can be inferred from a proper balance of metabolic fluxes. On the other hand, it was possible to interpret the physiological state of yeast in continuous culture in the presence and absence of a nitrogen source stoichiometric analysis associated with the simplified pathway. The results confirm that the absence of nitrogen in the crop increases the rate of synthesis of trehalose and glycogen consumption, activating the metabolism of reserve and protection of S. cerevisiae, in the absence of an essential nutrient in the culture medium. Therefore the concentration of trehalose and glycogen in the cell depends on the physiological state of yeast culture, which can be inferred from a proper balance of metabolic fluxes.