Diseño e implementación de un algoritmo para predicción de vías metabólicas óptimas en base a la carga enzimática

Abstract

El objetivo de este trabajo de título es diseñar e implementar un algoritmo que prediga vías metabólicas de producción minimizando la carga enzimática del organismo productor. Se define la carga enzimática como la cantidad de enzima necesaria para catalizar las reacciones de una ruta metabólica. Esta carga será representada a través de los parámetros cinéticos de las enzimas, pues la cinética tiene relación directa con la cantidad de enzima requerida. Para llevar a cabo este trabajo se realizó una extracción de las actividades específicas reportadas en la base de datos BRENDA. Con esta información se planteó un problema de optimización donde se minimiza la carga enzimática utilizando los parámetros ya extraídos, luego, se compararon las distribuciones de flujos obtenidos para un modelo a escala genómica de E. coli con datos experimentales obtenidos de bibliografía. Finalmente, se acopló esta minimización a optStoic, un método de diseño de rutas metabólicas basado en estequiometría y minimización de flujos. Con el método implementado se evaluó su desempeño en tres casos de estudio: una red metabólica ficticia, evaluación de rutas del metabolismo central y la producción de compuestos isoprenoides con una base universal de reacciones. Luego de plantear la carga enzimática como un problema de optimización con los datos extraídos, se obtiene una distribución de flujos similar a la reportada en literatura. Al in- corporar esto a optStoic se diseñaron rutas para los escenarios mencionados. Los resultados en los dos primeros casos de estudio fueron los esperados al conocer de antemano las rutas a obtener, aunque se destaca la necesidad de especificar la estequiometría general en un co- mienzo. Para el tercer caso de estudio se aprecian dos limitaciones principales: la necesidad de conocer todos los compuestos de inicio y fin de la ruta con una estequiometría bien de- finida y la falta de actividad específica para más de la mitad de las reacciones presentes en labase universal. Esto conllevó a obtener rutas similares entre sí, éstas no se alejan mucho de la ruta original en la cual se basó la estequiometría impuesta y con algunas reacciones sin carga enzimática asociada. Al ampliar la estequiometría aparecen reacciones adicionales que no aportan ni generan diversidad en las rutas resultantes, por lo que esta no fue una solución para aportar mayor diversidad a las soluciones. La herramienta desarrollada en este trabajo se encuentra funcional y se logró estudiar alternativas al caso de producción de isoprenoides pero presenta diversas limitaciones, cum- pliendo parcialmente el objetivo propuesto en su estado actual y se postulan diversos trabajos a futuro para mejorar su desempeño.