Exploración in silico de estrategias de electro-fermentación en el diseño racional de bioprocesos

Abstract

La electro-fermentación es una estrategia emergente para optimizar los bioprocesos al regular el balance redox intracelular y redireccionar los flujos metabólicos. En el presente trabajo se evaluó in silico la electro-fermentación desde el marco del diseño racional de bioprocesos para determinar su efecto en el aprovechamiento de la energía biológicamente disponible y los rendimientos del proceso. Para lo cual, se desarrolló una metodología que permitió estimar sus costos energéticos asociados y evaluar su capacidad de redireccionamiento metabólico. Se definieron un conjunto de semirreacciones que permitieron utilizar los principios de la electroquímica para establecer los requerimientos energéticos del proceso, junto con su modelo de caja negra. Se encontró que la energía libre de Gibbs de reacción depende del voltaje aplicado y el potencial de reducción de la molécula aceptora interna de electrones. Además, se planteó un modelo metabólico que incluyó el transporte extracelular de electrones y permitió evidenciar los diferentes cambios metabólicos al cambiar el balance redox a través de la interacción con el electrodo. Finalmente, se evaluaron diferentes casos de estudio para evidenciar el desempeño de la metodología desarrollada, en donde se logró solucionar déficits de ATP y electrones a expensas de una pequeña desviación de carbonos hacia subproductos debido a la generación de un desbalance redox en el metabolismo celular. La presente metodología representa un primer intento de una estimación in silico de los requerimientos de corriente eléctrica y voltaje asociados a una electro-fermentación a partir de fundamentos teóricos. (Texto tomado de la fuente)

Electro-fermentation is a novel strategy for optimizing bioprocesses in which the intracellular redox balance is regulated to redirect the carbon metabolic flux towards a desired product. In this work, an in-silico evaluation of the electro-fermentation has been made within the frame of a methodology referred to as Rational Design of Bioprocesses to evaluate its effects on microbial bioenergetics and process performance. Here, a new methodology is proposed for estimating the associated Gibbs energy costs, the development of a black-box model and the evaluation of its capacity to redirect metabolic fluxes. A set of semi reactions are used to describe the interactions between the electrode and the microbe, where the Gibbs energy involved in the electro-fermentation process is associated to the electrode’s poised voltage and the standard reduction potential of the internal electron acceptor. Besides, a new metabolic model is developed incorporating a set of reactions for the extracellular electron transfer mechanism. It has been proven that metabolic changes occur by an unbalanced NADH pool generated by the interaction of the microbe with a poised electrode. Finally, both thermodynamic and metabolic models are used in different study cases to evaluate the performance of the complete developed framework for electro-fermentations, where it has been proven that it can be used to solve ATP deficits in metabolic networks. To my knowledge, it is the first attempt of an in-silico based theorical framework to describe the energy, current and voltage associated with electro-fermentations.