Ingeniero Civil en Biotecnología / Ingeniero Civil Químico / El metabolismo de los microorganismos, así como la dinámica de sus cambios, son cada vez más importantes en el desarrollo de la industria y la investigación. El desarrollo de modelos matemáticos es una herramienta que permite estudiar, comprender y simular estos procesos. El objetivo de este trabajo es la construcción de un modelo de red metabólica que incorpore la regulación génica de sus vías mediante la simulación de síntesis enzimática, además de la validación de una metodología de obtención de parámetros. La red metabólica propuesta para modelar el metabolismo de Escherichia coli está constituida por las reacciones de la vía de la glicólisis, el ciclo TCA, la producción y consumo de acetato y la degradación de lactosa y galactosa. Las fuentes de carbono utilizadas durante el crecimiento del microorganismo fueron glucosa y lactosa, que una vez consumidas dan paso al consumo de galactosa y acetatos secretados previamente, en un proceso conocido como diaúxia. La red da cuenta de las relaciones de entre los metabolitos a través 45 flujos. Los cambios en el metabolismo, a medida que se pasa de consumir una fuente de carbón a otra, son representados por la síntesis de las enzimas que controlan las vías responsables de estos cambios. La síntesis de enzimas es a partir de genes cuya expresión en reprimida o inducida por los metabolitos presentes en el medio o al interior de la célula. La metodología utilizada consiste en el desarrollo de ecuaciones cinéticas simplificadas para las reacciones de la red. Estas cinéticas se basan en ley de acción de masa, cinética de Michaelis-Menten y ecuaciones de transporte. La regulación génica representada por la concentración de enzimas, relativa a su máximo, está acoplada al sistema de ecuaciones diferenciales que dan cuenta de las variaciones de concentración de metabolitos. La obtención de los parámetros cinéticos y las condiciones iniciales de simulación se obtiene a través de un ajuste de parámetros de las expresiones cinéticas sobre los valores de flujos obtenidos a través de un MFA. Para el desarrollo del MFA se utilizan flujos de consumo o producción de metabolitos obtenidos de datos experimentales en tres momentos del cultivo, uno por cada fase. A partir de la simulación de este modelo se obtuvo perfiles de concentración para los metabolitos extracelulares (glucosa, lactosa, galactosa y acetato), así como también para el crecimiento de biomasa. Los coeficientes de determinación de las curvas superan el valor de 0.83 para el acetato, y el de 0.94 para el resto de los metabolitos y la biomasa. Con estos resultados se concluye que el modelo es capaz de representar de forma cuantitativa el crecimiento diaúxico de Escherichia coli.

Cada día hay un mayor interés en comprender el metabolismo de determinados microorganismos debido a sus aplicaciones industriales y farmacológicas. La biología de sistemas es una herramienta utilizada con este fin, ya que permite el desarrollo de modelos para la simulación del metabolismo, permitiendo una mayor comprensión de éste. El objetivo del presente trabajo es construir un modelo continuo de una red metabólica con regulación génica, que incorpore la dinámica de síntesis enzimática, para simular los flujos metabólicos de las vías centrales de la cepa nativa de Saccharomyces cerevisiae durante un cultivo batch. La red metabólica propuesta incorpora las reacciones de glicólisis, gluconeogénesis, ciclo de los ácidos tricarboxílicos, síntesis de proteínas, síntesis de glicerol y síntesis y consumo de etanol. La fuente de carbono utilizada fue glucosa (condiciones fermentativas) y una vez que ésta es consumida comienza el consumo de etanol (condiciones no fermentativas). Dicho etanol fue sintetizado previamente a partir de glucosa, proceso conocido como cambio diáuxico. El modelo consiste en 39 flujos que representa la acción de 50 enzimas. La metodología utilizada consideró, en primer lugar, construir un modelo de síntesis enzimática. Este modelo define la actividad enzimática a partir de la regulación génica, mediada por glucosa, de la expresión de enzimas claves de la red metabólica propuesta. Esta regulación se lleva a cabo mediante los mecanismos de inducción y corepresión, modelados a partir de ecuaciones diferenciales ordinarias. A partir de este modelo se simularon los perfiles de biomasa, glucosa y etanol en cepas nativas y recombinantes. El ajuste logrado para estos 3 compuestos fue del 95%, 96% y 82% respectivamente, promediando las 4 simulaciones realizadas. Luego use modeló la red metabólica en conjunto con la red de regulación génica, a partir de la integración de un modelo cinético con el modelo de síntesis enzimática. El primero considera la cinética enzimática de MichaelisMenten y la Ley de Acción de Masas para las reacciones no enzimáticas. Los datos fueron obtenidos a partir de un Análisis de Flujos Metabólicos (MFA) a partir de los cuales se determinaron los flujos metabólicos de entrada necesarios. La simulación de la fermentación de la cepa nativa fue exitosa, ya que la diferencia entre los flujos obtenidos a partir del modelo y los flujos determinados por el MFA correspondiente no supera el 25% en el 75% de los casos durante el crecimiento exponencial en glucosa, y no supera el 20% en el 90% de los casos durante el crecimiento exponencial en etanol. Los ajustes logrados para los perfiles de biomasa, glucosa y etanol fueron del 95%, 95% y 79% respectivamente. Con estos resultados se concluye que el modelo propuesto simula en forma representativa los flujos metabólicos y los perfiles de biomasa, glucosa y etanol de un cultivo batch de Saccharomyces cerevisiae.