Análisis metabólico y termodinámico in silico para la biosíntesis de ácido 3-indolacético (AIA) a partir de glicerol en Azospirillum brasilense

Abstract

In this work the bioconversion of glycerol to indol acetic acid (IAA) is proposed using Azospirillum brasilense as biocatalyst, a bacteria with a natural capacity to produce IAA. In the beginning, a black box model was defined to evaluate the thermodynamic feasibility for the anaerobic conversion of IAA from glycerol (-ΔrG°’ = 387.3 kJ molAIA-1 ), however, it was not possible to reproduce this scenario by a metabolic model built for A. brasilense (296 reactions and 260 metabolites). From this former result, it was decided to change ammonium by nitrate as the nitrogen source, nevertheless, the problem at the metabolic level continued despite it has a higher Gibbs free energy available (-ΔrG°’ = 981 kJ mol AIA-1 ). From the analysis of the above two scenarios the following was found: 1. There was a limitation to harvest biologically uselful Gibbs free energy (mainly at the level of ATP production), and 2. There was a need to fix CO2 at the level of IAA precursors to compensate for the excess of electrons per carbon atom in glycerol with respect to IAA. Thus, an alternative set of catabolic reactions was proposed using oxygen, NO3 - /NO2 - or ethanol as alternative acceptors allowing the solution of the identified metabolic hitches, in addition to the incorportation of the Wood-Ljungdahl pathway to fix CO2 under anaerobic conditions. A new thermodynamic analysis was carried out for these new possibilities in order to evaluate different criteria and suggest the best scenario for IAA production. It was found that using nitrate as both nitrogen source and electron acceptor a yield slightly lower than with oxygen was obtained. This may be compensated by reducing operation costs such as tank gassing and base consumption.

En este trabajo se propone la bioconversión de glicerol a ácido 3-indolacético (AIA) usando como biocatalizador Azospirillum brasilense, una bacteria con capacidad para producir de forma natural el AIA. Inicialmente se definió un modelo de caja negra para evaluar la conversión anaeróbica del glicerol a AIA, obteniéndose un escenario factible termodinámicamente (-ΔrG°’ = 387.3 kJ mol AIA-1), sin embargo no fue posible reproducir este escenario desde el modelo metabólico construido para A. brasilense (conformado por 296 reacciones y 260 metabolitos), frente a este resultado se optó por cambiar la fuente de nitrógeno de amoniaco a nitrato, no obstante el problema a nivel metabólico persistió pese a tener una mayor energía libre de Gibbs disponible para el proceso (-ΔrG°’ = 981 kJ mol AIA-1), durante estos dos primeros escenarios se identificó: 1. Insuficiencia a nivel de síntesis de energía biológica útil (ATP) y 2. Necesidad de fijar CO2 en precursores del AIA para compensar el exceso de electrones por átomo de carbono del glicerol respecto del AIA. De esta forma se propusieron reacciones catabólicas alternas (usando como aceptores alternos oxígeno, NO3-/NO2- o etanol) que permitieran solucionar los problemas identificados además de incluir la ruta de Wood-Ljungdahl para fijar CO2 en condiciones anaeróbicas, para los nuevos escenarios obtenidos se evaluaron diferentes criterios dentro de un análisis termodinámico de eficiencia para sugerir el mejor escenario para la producción de AIA arrojando como resultado que bajo condiciones anaeróbicas usando nitrato como fuente de nitrógeno y aceptor de electrones se obtiene un rendimiento de sustrato en producto levemente inferior frente al oxígeno que puede ser compensado con la reducción de los gastos de operación relacionados con la aireaión del tanque y la adición de base.