A critical concern in metabolic engineering is the need to balance the demand and supply of redox intermediates. Bioelectrochemical techniques offer a promising method to alleviate redox imbalances during the synthesis of biochemicals. Broadly, these techniques reduce intracellular NAD+ to NADH and therefore manipulate the cell’s redox balance. The cellular response to such redox changes and the additional reducing can be harnessed to produce desired metabolites. In the context of microbial fermentation, these bioelectrochemical techniques can improve product yields and/or productivity. We have developed a method to characterize the role of bioelectrosynthesis in chemical production using the genome-scale metabolic model of E. coli. The results elucidate the role of bioelectrosynthesis and its impact on biomass growth, cellular ATP yields and biochemical production. The results also suggest that strain design strategies can change for fermentation processes that employ microbial electrosynthesis and suggest that dynamic operating strategies lead to maximizing productivity.

A critical concern in metabolic engineering is the need to balance the demand and supply of redox intermediates. Bioelectrochemical techniques offer a promising method to alleviate redox imbalances during the synthesis of biochemicals. Broadly, these techniques reduce intracellular NAD+ to NADH and therefore manipulate the cell’s redox balance. The cellular response to such redox changes and the additional reducing can be harnessed to produce desired metabolites. In the context of microbial fermentation, these bioelectrochemical techniques can improve product yields and/or productivity. We have developed a method to characterize the role of bioelectrosynthesis in chemical production using the genome-scale metabolic model of E. coli. The results elucidate the role of bioelectrosynthesis and its impact on biomass growth, cellular ATP yields and biochemical production. The results also suggest that strain design strategies can change for fermentation processes that employ microbial electrosynthesis and suggest that dynamic operating strategies lead to maximizing productivity.

Las etapas de transferencia electrónica o transferencia de carga involucradas en reacciones electroquímicas juegan un papel muy importante en un gran número de procesos biológicos y bioquímicos. Hoy en día, el interés de la comunidad científica se centra en explorar y entender exhaustivamente la naturaleza biológica y química de los fenómenos bioelectroquímicos que ocurren en los seres vivos, con el objeto de mimetizarlos en el laboratorio. Los procesos bioelectrocatalíticos presentan un amplio abanico de aplicaciones dirigidas al: (i) desarrollo de biorreactores electroquímicos para la mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero, la eliminación de contaminantes presentes en aguas residuales y urbanas, o la síntesis de productos con alto valor añadido para la industria, (ii) el desarrollo de biopilas y biobaterías, y (iii) el desarrollo de (bio)sensores electroquímicos con fines analíticos. Sin embargo, la implantación en el mercado de dispositivos basados en procesos biocatalíticos aún se enfrenta a varios desafíos, como son la robustez, la estabilidad a largo plazo, la reproducibilidad y la rentabilidad de producción en términos de materiales y fabricación de los dispositivos electroquímicos. La motivación de esta tesis doctoral es la de enfrentarse a algunos de los desafíos con los que se encuentra hoy en día la bioelectrocatálisis, para ello esta tesis doctoral se centra, principalmente en el estudio de nuevos materiales y mejora de rutas y estrategias bioelectrocatalíticas, con la finalidad de desarrollar dispositivos electroquímicos con aplicaciones analíticas y en la obtención de productos de valor añadido. En primer lugar esta tesis doctoral recoge el estudio y desarrollo de (bio)sensores electroquímicos para la determinación de lactato, L-cisteína, peróxido de hidrógeno y pH en medios biológicos complejos, y en segundo lugar estudia la bioelectrosíntesis de ácido fórmico a través de la reducción bioelectroquímica de dióxido de carbono.