Modelo continuo de flujos metabólicos y regulación génica: Aplicaciones

Abstract

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.