Evaluación del impacto de gradientes de concentración sobre el metabolismo del carbono central microbiano mediante un enfoque de modelamiento multiescala

Abstract

Modelar un bioproceso es crucial para tener un entendimiento y predecir variables de operación importantes en la industria. Para hacerlo no solo es pertinente modelar el biorreactor con sus fenómenos de transporte sino también algunos procesos intracelulares que transforman el sustrato disponible. De esta forma, el objetivo general de esta tesis es realizar un modelamiento multiescala que comprende la escala macro (reactor) y la escala micro (metabolismo celular). La descripción matemática del biorreactor consistió en un modelo de compartimentos, con el fin de calcular los gradientes de concentración. Para la configuración dada del reactor se calculó un tiempo de mezcla de 70s si la alimentación es en el medio del tanque. Por otro lado, se construyó un modelo cinético para predecir datos experimentales del metabolismo de carbono central de Saccharomyces cerevisiae; específicamente para la glucólisis, la ruta de las pentosas fosfato y el metabolismo de trehalosa y glucógeno. Se realizó la estimación de parámetros y se obtuvo diferentes respuestas. Por ejemplo, para la glucosa intracelular el error fue del 3.8% y para fructosa 6-fosfato del 1%. Además, el modelo derivado aquí para el pool de glucógeno funcionará como base para trabajos futuros, ya que su modelamiento no ha sido lo suficientemente explorado en la literatura. Después, se acoplaron ambos modelos a través de la tasa de consumo de sustrato 𝑞���𝑠��� . Se simuló un pulso de alimento y se construyeron mapas de calor que muestran los gradientes de concentración en el reactor para la glucosa extracelular, metabolitos intracelulares y 𝑞���𝑠��� . Por último, se hizo un análisis de sensibilidad según la velocidad de agitación y el número de pulsos. Se obtuvo que a una velocidad de 180 o 240 rpm se disminuyen en gran medida los gradientes. Con el segundo análisis, se concluyó que tanto la trehalosa como el glucógeno son pooles de carbono que funcionan como buffer frente a perturbaciones de concentración en el entorno del microorganismo. (texto tomado de la fuente)

Modelling a bioprocess is key for general understanding and predicting important operation variables at industry level. To do so, it is not only relevant to model the bioreactor and the associated transport phenomena, but also to model intracellular processes in charge of converting the available substrate. In this direction, the general objective of this thesis is to perform multiscale modeling considering the macroscale (reactor) and the microscale (cellular metabolism). The mathematical description of the bioreactor consists of a compartment model to compute concentration gradients. For the chosen reactor configuration, a mixing time of 70s is estimated when the feeding point is located somewhere at the middle section of the vessel. On the other hand, a kinetic model is built to predict experimental data from central carbon metabolism of Saccharomyces cerevisiae; specifically, glycolysis, pentose phosphate pathway and the trehalose and glycogen metabolism. Parameter estimation is performed resulting in different responses. For instance, for intracellular glucose an error of approximately 3.8% is obtained while for fructose 6-phosphate the error is about 1%. In addition, the model derived here for the glycogen pool might serve as a basis for future work, because its modelling has not yet been explored enough in literature. Then, both models are coupled by the substrate consumption velocity 𝑞��𝑠�� . A feeding pulse is simulated, and heat maps are constructed showing concentration gradients throughout the reactor for the extracellular glucose, intracellular metabolites and 𝑞��𝑠�� . Finally, a sensitivity analysis is performed according to the agitation speed and the number of pulses. As a result, the observed concentration gradients are significantly reduced when a stirring speed of 180 or 240 rpm is used. From the second analysis, a notable remark is that both, trehalose, and glycogen carbon pools, seem to buffer the carbon flux against concentration perturbations in the microorganism environment.