Biología sintética para mejorar la producción de Etanol en Escherichia coli BAL1611 a partir de carbohidratos de Macrocystis pyrifera

Abstract

El aumento del consumo energético y la escasez de recursos de origen fósil, han impulsado proyectos de generación de biocombustibles de tercera y cuarta generación como el de producción de etanol a partir del alga chilena M. pyrifera mediante la bacteria E. coli BAL1611. En este estudio, se obtuvo rendimientos de producto y biomasa menores que los reportados con el alga original S. japonica. Hipotéticamente, habría un desbalance redox interno en la bacteria por lo que, para mejorar la producción de etanol, se decide estudiar in silico cómo afectan las fuentes de carbono en la distribución de flujos y concentración de metabolitos, y así proponer circuitos genéticos o metabólicos que regulen el sistema. Además, se decide proponer nuevos productos de interés comercial que se pueden generar desde M. pyrifera mediante E. coli BAL1611. Las simulaciones del modelo cinético construido para E. coli BAL1611 muestran que existe escasez de poder reductor intracelular, aunque la causa de la menor producción de etanol se debe a la saturación de la enzima KDG-6-fosfato aldolasa (EDA) de la ruta de Entner-Doudoroff. Los estudios para optimizar la producción de etanol a partir de M. pyrifera indican que la sobreexpresión de EDA y alcetaldehido deshidrogenasa (ALDH), junto con el knock-out de malato-quinona oxidorreductasa (MQO), es la combinación de mutaciones que genera el mayor rendimiento de producto/sustrato, correspondiente a 0,29, aproximadamente el doble que para el caso de la E. coli BAL1611 sin mutaciones. Por otra parte, analizando otros productos de interés como ácido láctico y succínico queda de manifiesto que, utilizando Macrocystis pyrifera como sustrato, E. coli BAL1611 es una inadecuada alternativa para generar ácido láctico debido a los bajos rendimientos alcanzados. En cuanto a ácido succínico, se propone como combinación de mutaciones la sobreexpresión de la enzima EDA y el transporte de succinato, junto con el knock-out de succinato deshidrogenasa (SDH) y ALDH, obteniendo un rendimiento de 2,37, cinco órdenes de magnitud mayor al caso de la E. coli BAL1611 original. Además, se observa una relación inversa entre el crecimiento y la producción para etanol y ácido succínico. Finalmente, se propone implementar las mutaciones respectivas para cada producto en un circuito genético que regule la producción mediante quorum sensing, disociando el crecimiento de la producción. Además, se sugiere realizar mejoras en el planteamiento de algunas ecuaciones del modelo, para luego construir una plataforma que permita determinar todos los bioproductos de interés comercial que puedan ser generados de forma eficaz a partir de Macrocystis pyrifera mediante la E. coli BAL1611.