Formulación de un modelo metabólicamente estructurado para optimizar la producción de Polihidroxialcanoatos (PHA) a partir de Burkholderia cepacia.

Abstract

El mejoramiento de procesos debe ser soportado en análisis cuantitativos que permitan tomar decisiones, reduciendo la incertidumbre. Los modelos matemáticos de procesos fermentativos permiten predecir su comportamiento, tanto en estado estacionario como en condiciones dinámicas, por lo que son una herramienta clave en el mejoramiento de estos procesos. El grupo de Bioprocesos de la Universidad Nacional de Colombia ha estado estudiando la producción de Polihidroxialcanoatos desde el aislamiento de cepas promisorias hasta su producción en planta piloto (100 L) empleando una cepa hiperproductora de Burkholderia cepacia y como fuente de carbono ácidos grasos; sin embargo, se han presentado desafíos para aumentar la concentración de producto y la productividad del proceso. El objetivo de este trabajo es desarrollar un modelo matemático que simule el crecimiento y producción de PHB en la cepa B cepacia B27, considerando los cambios metabólicos que ocurren entre las fases de feast and famine, y que permita la optimización del proceso. Para lograr este objetivo fue necesario: i) identificar el comportamiento de la cepa mediante fermentaciones batch, ii) caracterizar el metabolismo en varias etapas del cultivo mediante MFA lineal, iii) identificar condiciones ambientales clave que definen el cambio entre las fases feast and famine, y la activación del nuevo comportamiento metabólico, iv) ajustar modelos semi-empíricos para cada fase y, v) validar el modelo con la estrategia operacional óptima (lote alimentado). Los resultados muestran que los flujos metabólicos experimentan cambios significativos entre las dos fases: las vías metabólicas se ajustan para dirigir el carbono, en mayor proporción, hacia el crecimiento en la fase de feast, y a la producción de PHB en la fase famine. Además, la relación C/N fue identificada como el parámetro de correlación clave para la transición entre las dos fases. Adicionalmente, para la fase famine se detectó un periodo de adaptación, este periodo es el tiempo que requiere el ajuste de la maquinaria metabólica para el nuevo objetivo. El lote alimentado para optimizar el proceso emplea pulsos para la adición de las fuentes de carbono y nitrógeno, por separado. La alimentación permite extender la fase feast y obtener mayores concentraciones de biomasa, lo que genera mayores concentraciones de PHB al final del proceso.

Abstract: Process improvement must be supported in quantitative analyzes that allow decisions making with reduced uncertainty. Mathematical models of fermentative processes allow to predict their behavior, both in steady state and in dynamic conditions, so they are a key tool in the improvement of these processes. The Bioprocess group of Universidad Nacional de Colombia has been studying the production of Polyhydroxyalkanoates from the isolation of promising strains to its production in a pilot plant (100 L) using a hyper-producing strain of Burkholderia cepacia and fatty acid as carbon source carbon; however, there are challenges for increasing product concentration and process productivity. The objective of this work is to develop a mathematical model that simulates the growth and production of PHB in B. cepacia B27, considering metabolic changes that occur between the phases of feast and famine, and that allows the process optimization. To achieve this objective, it was necessary: i) to identify the behavior of the strain by batch fermentation, ii) to characterize the metabolism at several culture stages by linear MFA, iii) to identify key environmental conditions that define the change between the F and F phases and the activation of a new metabolic behavior, iv) adjust semi-empirical models for each phase and, v) validate the model with the optimal operational strategy (fed batch). Results show that metabolic fluxes undergo significant changes between the two phases: metabolic pathways are adjusted to lead carbon, in a greater extent, towards growth in feast phase, and towards PHB production in famine phase. In addition, the C/N ratio was identified as the key correlation parameter for the transition between the two phases. Additionally, for the famine phase an adaptation period was detected, this period is the time required to adjust the metabolic machinery for the new objective. Fed batch for optimal operation employs pulses for adding carbon and nitrogen sources, separately. The feed allows to extend the feast phase and obtain higher biomass concentrations, which generates higher concentrations of PHB at the end of the process.