Molts productes d'interès en l'àmbit dels processos biotecnològics es produeixen per fermentació bacteriana i especialment, pel que fa a proteïnes recombinants, a partir del cultiu de bacteris com Escherichia coli. En aquest treball s'ha realitzat una caracterització fisiològica i metabòlica d' Escherichia coli en cultiu en bioreactor per tal d'obtenir les claus que permetin una millora de l'eficiència del procés des de l'enfoc de l'Enginyeria Metabòlica. S'ha identificat un factor que impedeix millorar l'eficiència del procés: l'excreció de subproductes. L'acetat és el principal subproducte metabòlic en cultius aeròbics d' Escherichia coli en medis minerals glucosats i, quan s'acumula al brou de fermentació, esdevé tòxic per a les cèl·lules, inhibint el creixement cel·lular i reduint l'expressió de gens recombinants. L'anàlisi de la distribució dels fluxos metabòlics intracel·lulars estimats per mitjà d'un model matemàtic del metabolisme basat en el plantejament de les equacions de balanç de matèria i l'estequiometria cel·lular, ha revelat que existeix un desajust entre la capacitat de captació i degradació de la glucosa fins a piruvat, producte final de la glucòlisi, i la d'incorporació d'Acetil-CoA al cicle dels àcids tricarboxílics (CAT). Aquest desajust impedeix a la cèl·lula aprofitar tota la glucosa captada per a funcions de biosíntesi i l'excreció d'acetat representa una vàlvula de seguretat pels excedents que la cèl·lula no pot aprofitar en la generació de nova biomassa i CO2. En aquest estudi ha sigut possible identificar els enzims clau involucrats en les reaccions suposadament causants del desajust metabòlic a Escherichia coli, s'han aïllat els gens i regulat la seva expressió mitjançant plasmidis d'expressió adequats. Les reaccions escollides com a potencials llocs d'actuació són la reacció d'incorporació de glucosa a la cèl·lula a través del sistema de transport de la Fosfotransferasa depenent de fosfoenolpiruvat (PTS) i la reacció anapleròtica de reompliment del CAT catalitzada per l'enzim Fosfoenolpiruvat-carboxilasa (PEPC). En ambdós casos es pretén balancejar el creixement en cultiu discontinu, reduint la formació de subproductes.La redistribució dels fluxos metabòlics per reducció del nombre de components EIICBGlc del sistema PTS mitjançant estratègies de silenciament de gens per RNA-Antisentit pel gen ptsG, així com la sobreexpressió del gen ppc que codifica per la PEPC ha permès reduir la formació d'acetat a Escherichia coli. La modificació dels nivells del component EIICBGlc del PTS ha permès redistribuir els fluxos sense afectar la velocitat específica de creixement. No obstant, la modificació dels fluxos per augment de la velocitat de reacció de la PEPC, ha afectat la velocitat específica de creixement i la velocitat específica de transport de glucosa. En resum es pot concloure que algunes de les modificacions genètiques realitzades han resultat satisfactòries en termes de l'objectiu desitjat -reduir la secreció d'acetat- i que els efectes de la modificació sobre la distribució dels fluxos metabòlics intracel·lulars es pot explicar a partir dels valors estimats pel model matemàtic. / Many products of biotechnological interest are produced by bacterial fermentation, among then recombinant products, by the bacteria Escherichia coli. In this work a physiological and metabolic study of Escherichia coli growing in a bioreactor it has been performed in order to obtain the parameters which permit an increase of the efficiency of the process from the point of view of Metabolic Engineering. It had been possible identify a limiting factor of the efficiency of the process: by-product generation. Acetate is the main by-product of the aerobic metabolism of Escherichia coli K12 in glucose minimal medium, and when it reaches a critical concentration becomes toxic for the cells, inhibiting the cell growth and reducing the expression of recombinant genes. The analysis of distribution of intracel·lular metabolic fluxes by means of a metabolic model based on the mass balance equations and the stoichiometry of the cell, has shown an intracel·lular uncoupling between glycolisis and tricarboxylic acid cycle (TCA), at the level of Acetil-CoA incorporation to the cycle. Such uncoupling effect restricts the total conversion of glucose into cellular structures, and the excretion of acetate is used by the cell to export the exceeding carbons that are not converted to CO2 and biomass.In this study it has been possible identify key enzymes that can have an important role in the metabolic uncoupling observed in E.coli cultured in vitro. Those reactions were the glucose uptake system (Phosphoenolpyruvate-Dependent Glucose Phosfotransferase system:PTS) and the anaplerotic reaction of Phosphoenolpyruvate Carboxilase (PEPC). Redistribution of the intracellular metabolic fluxes by reduction of the number of components of EIICBGlc of PTS by RNA-Antisense strategy of the gene ptsG, and over expression of ppc gene of PEPC had allow to reduce the acetate formation in Escherichia coli. The modification of the PTS component had allowed redistributing the intracellular fluxes without affecting the specific cell growth rate. However, the modification of the flux across the PEPC reaction had modified the specific cell growth rate and the specific glucose uptake rate. In summary, some of the metabolic engineering approaches investigated resulted successful in terms of the desired goal, and the effects of the genetic modifications on redistribution of the cell metabolism could be explained from the model based intracellular fluxes estimated.

L’enginyeria metabòlica és una estratègia molt útil per produir molècules d’alt valor afegit mitjançant microorganismes. Molècules d’interès per la seva funció biològica, d’estructura complexa i amb dificultats en la seva obtenció i síntesi s’han obtingut de forma molt satisfactòria mitjançant aquesta metodologia. En el laboratori de Bioquímica de l’IQS s‘estudia la glicosiltransferasa de Micoplasma genitalium codificada pel gen mg517 i responsable de la síntesi de glicoglicerolípids (Andrés et al., 2010). S’ha vist que aquesta proteïna sobreexpressada en E.coli és funcional i acumula diferents glicoglicerolípids en la membrana plasmàtica. Aquests glicoglicerolípids mostren diferents punts d’interès. D’una banda, són tensioactius d’alt valor afegit que permeten la construcció de niosomes per l’alliberament controlat de fàrmacs i, d’altra banda, s’han relacionat com agents terapèutics amb inhibició de tumors cancerígens. Degut al creixent interès d’aquests productes,en el present treball s‘ha escollit E. coli com a microorganisme a modificar per enginyeria metabòlica per la producció de glicoglicerolípids, ja que per una banda, no presenta aquests lípids però sí sintetitza els seus precursors UDP-glucosa i diacilglicerol (DAG). S’han dissenyat diferents soques d’E.coli on se sobreexpressen la glicosiltransferasa MG517 i, a més, la uridiltransferasa GalU procedent d’E.coli JM109, que sintetitza el precursor UDP-glucosa a partir de glucosa 1-fosfat, i l’aciltransferasa PlsC involucrada en la biosíntesi del precursor DAG. En les soques on les proteïnes GalU i PlsC s’han sobreexpressat, les seves activitats han augmentat 220 i 80 vegades, respectivament. La glicosiltransferasa MG517 és activa en totes les soques però, sorprenentment, la seva activitat després de les cinc hores d‘inducció és10 vegades inferior quan es dóna la coexpressió de MG517 i PlsC. S’observa que la sobreproducció de UDP-glucosa no incrementa la quantitat total de glicoglicerolípids mentre que el DAG sí, de manera que la soca AbC amb els gens mg517 i plsC és la que sintetitza més glicoglicerolípids, arribant a nivells de 1059 nM per biomassa. Dels tres glicoglicerolípids formats, el diglucosilacilglicerol és sempre el més abundant i el seu percentatge varia entre 57 i 82% en funció de la coexpressió dels enzims. La producció d’aquests nous lípids en la membrana d’E. coli implica que el percentatge del fosfolípid fosfatidiletanolamina disminueixi un 20%, mentre els fosfolípids anionis es mantenen constants. Es conclou que la soca modificada d’E. coli AbC és una bona plataforma per la producció de nous glicolípids amb diferent estructura. / La ingeniería metabólica es una estrategia muy útil para producir moléculas de valor añadido mediante microorganismos. Moléculas de interés por su función biológica, de estructura compleja y con dificultades en su obtención y síntesis se han obtenido de forma muy satisfactoria con el uso de esta metodología. En el laboratorio de Bioquímica del IQS se estudia la glicosiltransferasa de Micoplasma genitalium codificada por el gen mg517 y responsable de la síntesis de glicoglicerolípidos (Andrés et al. 2011). Se ha observado que esta proteína sobreexpresada en E.coli es funcional y acumula estos lípidos en la membrana plasmática. Los glicoglicerolípidos muestran diferentes puntos de interés. Por una parte, son tensioactivos que permiten la construcción de niosomas para la liberación controlada de fármacos y, por otra parte, se han seleccionado como agentes terapéuticos con inhibición de tumores cancerígenos. Debido al creciente interés de estos productos, en el presente trabajo, se ha escogido E.coli como microorganismo a modificar por ingeniería metabólica para la producción de glicoglicerolípidos, ya que no presenta estos lípidos pero sí sintetiza sus precursores UDP-glucosa y diacilglicerol (DAG). Se han diseñado diferentes cepas de E.coli donde se sobreexpressa la glicosiltransferasa MG517 y, además, la uridiltransferasa GalU de E.coli JM109, que sintetiza el precursor UDP-glucosa, y la aciltransferasa PlsC involucrada en la biosíntesis del precursor DAG. En las cepas donde las proteínas GalU y PlsC se han sobreexpressado, sus actividades han aumentado 220 y 80 veces, respectivamente. La glicosiltransferasa MG517 es activa en todas las cepas pero, sorprendentemente, su actividad después de inducir es 10 veces inferior cuando se da la coexpresión de MG517 y PlsC. Se observa que la sobreproducción de UDP-glucosa no incrementa la cantidad total de glicoglicerolípidos mientras que el DAG sí, de forma que la cepa AbC con los genes mg517 y plsC es la que sintetiza más glicoglicerolípidos, llegando a niveles de 1059 nM por biomasa. De los tres glicoglicerolípidos formados, el diglucosildiacilglicerol es siempre el más abundante y su porcentaje varía entre 57 y 82% en función de la coexpressión de las enzimas. La producción de los nuevos lípidos en la membrana de E.coli implica que el porcentaje del fosfolípido fosfatidiletanolamina disminuya un 20%, mientras los fosfolípidos aniónicos se mantienen contantes. Se concluye que la cepa modificada de E.coli AbC es una buena plataforma para la producción de nuevos glicolípidos con distinta estructura. / Metabolic engineering is a useful strategy to achieve target molecules using microorganisms. Molecules of high biological value, with complex estructure and difficulties to be obtained and synthesised, as for example, glycoconjugates, have been successfully obtained by this methodology (Ruffing i Chen, 2010). Our group studies the Mycoplasma genitalium glycosyltransferase encoded by mg517 gene and responsible of glycoglycerolipid synthesis. (Andrés et al., 2010). This protein overexpressed in E. coli is functional and accumulates the glycolipids in its plasma membrane. These glycoglycerolipids have different points of interest. On one hand, they are biosurfactants and evencan form niosomes for drug delivery systems. On the other hand, they have been related to inhibition of cancer tumors. Due to growing interest of these products, and in order to improve production of glycoglycerolipids, different metabolic engineered E. coli strains have been designed in this work. This microorganism has been chosen since on the one hand, it does not produce these lipids but its metabolism produces the glicoglicerolipids precursors, UDP-glucose and diacylglycerol (DAG). In these strains, the glycosyltransferase is coexpressed with genes related to biosynthesis of both precursors. Therefore coexpression of the glycosyltransferase MG517, the uridyl transferase GalU from E. coli JM109, which synthesizes the precursor Glc-UDP from glucose-1-phosphate, and the acyl transferase PlsC involved in the biosynthesis of the precursor DAG have been studied. Once modified strains were constructed, their phenotype have been analysed. On one hand, the three enzymatic activities have been determined in vitro from the cell extracts. When GalU and PlsC were overexpressed, their activities increased 220 and 80-fold, respectively, compared to the controls. The glycosyltransferase MG517 was active in these modified strains but, surprisingly, its activity decreases 10-fold when MG517 and PlsC were coexpressed. It is observed that overproduction of UDP-glucose does not increase total glycolipids amount while DAG have a positive impact on this production, being strain with mg517 and plsC genes which produces more glycolipids achieving 1059 nM per biomass. . Furthermore, the modified strains showed different glycoglycerolipids profiles. In all strains the disaccharide glycoglycerolipid is the most abundant but its percentage varies from 57% to 82% depending on enzyme coexpression. Production of these new lipids in E. coli membrane implies less synthesis of phosphatidylethanolamine phospholipid, which is characteristic of this microorganism. Our results show the modified E. coli strain with mg517 and plsC genes is a good platform microorganism for the production of new glicolipids with different structure.