Modelamiento Continuo de una Red Metabólica con Regulación Génica y Dinámica de Síntesis Enzimática: Cambio Diáuxico en Saccharomyces Cerevisiae

Abstract

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.