Reconstrucción Metabolica y Análisis de Flujos Metabólicos de Microorganismos Biolixiviantes en Cultivo Puro y Mixto

Abstract

El presente proyecto de tesis aborda un enfoque de Biología de Sistemas para el modelamiento metabólico de microorganismos biomineros. El trabajo se centra en el estudio de tres microorganismos fundamentales en procesos de biolixiviación, los cuales coexisten formando comunidades microbianas: Leptospirillum ferrooxidans, Leptospirillum ferriphilum y Ferroplasma acidiphilum. Con el propósito de entregar una herramienta para comprender el funcionamiento de éstos sistemas biológicos y determinar las principales interacciones que se presentan en estos consorcios microbianos, el objetivo principal de este trabajo fue obtener un mapa metabólico representativo para estos microorganismos en cultivo puro y mixto. Para el desarrollo de los modelos estequiométricos se realizó una reconstrucción metabólica basada en información disponible en literatura y bases de datos. En cada caso, dicha reconstrucción estuvo constituida por las principales vías de consumo de nutrientes y generación de productos, metabolismo central, síntesis de unidades estructurales, macromoléculas y finalmente biomasa. La primera parte de este trabajo trata de la reconstrucción metabólica desarrollada para Leptospirillum ferrooxidans, la cual fue evaluada a través de Análisis de Flujos Metabólicos (MFA) con datos experimentales obtenidos de literatura. Bajo las condiciones estudiadas, el modelo entregó predicciones consistentes con información de literatura para esta bacteria. Asimismo, el modelo desarrollado mostró un comportamiento estable al ser sometido a un análisis de sensibilidad imponiendo un error aleatorio en los datos de entrada. De esta manera, se concluyó que el modelo de L. ferrooxidans es capaz de reproducir in silico las principales características metabólicas de esta bacteria. En la segunda parte de este trabajo, se muestra la construcción de un modelo para L. ferriphilum, basado en la reconstrucción metabólica de L. ferrooxidans, para lo cual se consideraron las principales diferencias metabólicas entre ambas especies. Asimismo, se desarrolló el modelo metabólico de F. acidiphilum, y a través de una plataforma computacional para redes metabólicas, se implementaron los modelos estequiométricos de F. acidiphilum y L. ferriphilum de manera simultánea, con el fin de representar un cultivo mixto. A través de la metodología de Balance de Flujos Metabólicos (FBA), se evaluaron los modelos desarrollados para F. acidiphilum y L. ferriphilum, obteniendo como resultado datos consistentes con observaciones experimentales publicadas en la literatura. Asimismo, se utilizó el modelo de F. acidiphilum para evaluar su crecimiento en presencia de sustratos alternativos, con lo cual fue posible corroborar el comportamiento quimiomixotrófico del modelo metabólico de esta arquea, y obtener una noción de la composición adecuada del medio de cultivo para optimizar su crecimiento. Finalmente, la robustez de ambos modelos fue evaluada a través de simulaciones de knockouts sobre distintas enzimas del metabolismo central de ambos microorganismos, obteniendo resultados coherentes respecto a las enzimas claves para el crecimiento encontradas en información de literatura. En la última parte de este trabajo, se realizó una caracterización metabólica experimental de Ferroplasma acidiphilum BRL-115, ratificando su comportamiento quimiomixotrófico. Asimismo, a través de ensayos de crecimiento de cada microorganismo en presencia de sobrenadante del medio de cultivo del otro, se confirmó la tendencia sinergística de ambos microorganismos al desarrollarse en cultivo mixto. Finalmente, se realizaron ensayos de crecimiento en cultivo batch cíclico para la obtención de tasas de crecimiento y consumo de Fe2+ de F. acidiphilum en cultivo puro y mixto con L. ferriphilum, con los cuales se lograron resultados razonables al utilizarlos como datos de entrada en el modelo metabólico del cultivo mixto.