Optimización de Saccharomyces cerevisiae para producción de Isobutanol como combustible alternativo, a través de análisis de flujos metabólicos

Abstract

El presente trabajo de título se enmarcó en un contexto de cambio climático y la necesidad mundial de transitar hacia nuevas tecnologías energéticas, particularmente, en el desarrollo de nuevos procesos industriales para producción de biocombustibles líquidos.

El objetivo general del trabajo es modificar genéticamente una cepa de S.cerevisiae en laboratorio para aumentar la producción de Isobutanol. Estos resultados serían empleados para validar una técnica de diseño genético in Silico a través de herramientas de modelamiento.

Para cumplir dicho objetivo, en laboratorio se realizó una integración genómica de genes para Alcohol deshidrogenasa (LlAdhare1) y α-cetoácido descaboxilasa (SkAro10) con modificaciones para expresión mitocondrial. Por otro lado, en el trabajo de modelamiento se desarrollaron dos metodologías de implementación de dFBA adaptadas para último GEM publicado de S.cereviseae: yETFL. Además, se desarrollaron técnicas de análisis mediante grafos y mapas de calor para un análisis detallado de los cambios metabólico.

A partir de la metodología implementada, se logra transformar S.cereviseae mediante técnicas de integración genómica, pero es necesario re-caracterizar las transformantes con mejoras metodológicas. Respecto a la parte de modelamiento, con éxito se logra aplicar por primera vez el modelo yETFL con un propósito práctico para el diseño de una estrategia con foco en el aumento de producción de Isobutanol. A partir de los análisis, se recomienda un sistema fedbatch de alta densidad celular, con alimentación conste de aminoácidos para aumentar la producción incluso con mínimas modificaciones genéticas. Esta investigación espera haber contribuido en el desarrollo de conocimiento para potenciar la producción sostenible de biocombustibles, buscando reemplezar el consumo de combustibles fósiles y transitar hacia un modelo productivo alternativo.

This thesis is framed within the context of climate change and the global need to transition to new energy technologies, particularly in the development of new industrial processes for the production of liquid biofuels. The general objective of the work is to genetically modify a strain of S. cerevisiae in the laboratory to increase isobutanol production. These results would be used to validate an in silico genetic design technique through modeling tools. To achieve this objective, the laboratory work involved the genomic integration of genes for Alcohol Dehydrogenase (LlAdhare1) and α-Ketoacid Decarboxylase (SkAro10) with modifications for mitochondrial expression. On the modeling side, two methodologies for implementing dynamic Flux Balance Analysis (dFBA) were developed, adapted to the latest published GEM of S. cerevisiae: yETFL. Additionally, graph and heatmap analysis techniques were developed for detailed analysis of metabolic changes. Using the implemented methodology, S. cerevisiae was successfully transformed using genomic integration techniques, although re-characterization of the transformants with methodological improvements is necessary. Regarding the modeling part, the yETFL model was successfully applied for the first time with a practical purpose to design a strategy focused on increasing isobutanol production. From the analyses, a high cell density fed-batch system with amino acid feeding is recommended to increase production even with minimal genetic modifications. This research aims to contribute to the development of knowledge to enhance the sustainable production of biofuels, seeking to replace the consumption of fossil fuels and transition to an alternative productive model.