Ingenieria metabolica

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ITESM Campus Toluca

Producción ácido butírico

Ingeniería Metabólica

Agosto – Diciembre 2011

Introducción

El obtener un modelo matemático del metabolismo de microorganismos de uso industrial es de suma importancia en ingeniería metabólica ya que nos permite conocer los factores relacionados con la obtención de mayores rendimientos en el producto de interés y así lograr crear nuevasestrategias de operación y optimización de los cultivos.
Microorganismo a utilizar

Para este proyecto, se trabajará con Clostridium acetobutylicum por ser un microorganismo altamente estudiado y utilizado a escala industrial para la producción de solventes importantes como la acetona y el butanol (Ru-Dong, Yung-Yung, Cong, Yi-Xue, & Lei, 2010).
Una de sus rutas metabólicas másimportantes es la de acetona-butanol-etanol, mejor conocida como ruta ABE. Esta ruta se divide principalmente en acidogénesis y solventogénesis. Para fines del proyecto, nos enfocaremos en la primera ya que en ella se producen el acetato y el butirato de forma vigorosa (Lehmann & Lütke-Eversloh, 2011).
Análisis del Flujo Metabólico

El análisis de flujo metabólico es un enfoque sistémico desarrolladopara evaluar el papel de los pasos individuales en una vía metabólica. El conocimiento de los patrones de actividad metabólica mediante un análisis de flujo metabólico es especialmente importante para investigar el complejo metabolismo primario de nuestro microorganismo de interés, en este caso C. acetobutylicum.
Ruta metabólica

La ruta metabólica completa ABE se muestra en la Figura 1(Ru-Dong, Yung-Yung, Cong, Yi-Xue, & Lei, 2010); sin embargo se ha propuesto una simplificación de la misma (Haus, y otros, 2011) que será utilizada para fines de este proyecto. En la ruta metabólica de C. acetobutylicum la degradación de la glucosa tiene como metabolito central al piruvato, del cual se forma lactato y es transformado en acetil coenzima A (Ac-CoA), el cual es un punto deramificación muy importante en la formación de los ácidos (acético y butírico) y de los solventes (butanol y etanol). En las ramificaciones para la producción de los ácidos, la Ac-CoA y Butiril Co A son convertidas primero a acetil-fosfato y butiril-fosfato respectivamente los cuales son luego transformados a acetato y butirato. Por otra parte, durante la fase de producción de solventes, los mismoscompuestos (Ac-CoA y butiril Co-A) se transforman en acetil-aldehído y butiril-aldehído respectivamente como intermediarios del etanol y butanol; con un total de ocho productos metabólicos y biomasa.
Con la finalidad de minimizar la complejidad de la ruta metabólica no son considerados todos los intermediarios involucrados en la formación de los productos metabólicos antes mencionados para así lograrun modelo metabólico simplificado el cual se muestra en la Figura 2; además para los pares cofactores tales como ATP/ADP, NAD+/NADH y NADP+/NADPH sabemos que los coeficientes estequiométricos serán iguales en magnitud y con signo opuesto por lo que no es necesario considerar ambos (Ru-Dong, Yung-Yung, Cong, Yi-Xue, & Lei, 2010).

Figura 1. Ruta metabólica completa (Ru-Dong, Yung-Yung,Cong, Yi-Xue, & Lei, 2010).

Figura 2. Ruta metabólica simplificada (Haus, y otros, 2011). El sustrato (Glucosa) en rojo, los ocho productos metabólicos en verde y los intermediarios metabólicos así como los cofactores en azul.
Reacciones
Las ecuaciones estequiométricas de la ruta simplificada se muestran a continuación, donde los compuestos que se consume en la reacción hacia delante tienenun coeficiente negativo y los compuestos que se forman tienen un coeficiente positivo. Con los coeficientes estequiométricos de estas reacciones se podrán realizar posteriormente las matrices de: sustrato, productos extracelulares e intermediarios intracelulares.
Para el sustrato no son considerados todos los intermediarios de la glucólisis, como se muestra en la ruta simplificada (Figura 2),...
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