Dynamic Flux Balance Analysis of a Genetic Engineered Cyanobacterium for Ethanol Production. Parameter Estimation

• Autores: Laiglecia, Juan Ignacio; Estrada, Vanina; Florencio, Francisco J.; Guerrero, Miguel G.; Díaz, María Soledad; Vidal, Rebeca
• Año de publicación: 2013
• Idioma: inglés
• Tipo de recurso: artículo
• Materia: Ingeniería, Ciencia y Tecnología; Dynamic Flux Balance Analysis; Ethanol Production; Parameter Estimation; Genetic Engineered Cyanobacterium; Ingeniería, Ciencia y Tecnología
• Institución: Universidad Nacional de Río Negro

Fil: Laiglecia, Juan Ignacio. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química (PLAPIQUI), CONICET. Bahía Blanca, Argentina
Fil: Estrada, Vanina. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química (PLAPIQUI), CONICET. Bahía Blanca, Argentina
Fil: Florencio, Francisco J. Universidad de Sevilla. Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis, CSIC. Sevilla, Spain
Fil: Guerrero, Miguel G. Universidad de Sevilla. Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis, CSIC. Sevilla, Spain
Fil: Díaz, María Soledad. Universidad Nacional del Sur. Planta Piloto de Ingeniería Química (PLAPIQUI), CONICET. Bahía Blanca, Argentina
Fil: Vidal, Rebeca. Universidad de Sevilla. Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis, CSIC. Sevilla, Spain
In this work, we present a parameter estimation problem for Dynamic Flux Balance Analysis to study the production of ethanol by a mutant strain of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803, as well as experimental data. This modified strain harbors the genes pdc and adhB from Zymomonas mobilis. The model includes two major components: (1) a dynamic model with mass balances for biomass, ethanol, nitrate, phosphate, internal nitrogen and phosphorus, and (2) a steady state genome-scale metabolic Linear Problem (LP) model. The biomass equation includes limiting functions for temperature and kinetics of growth inhibition by ethanol toxicity. Limitation of light by biomass accumulation is also taken into account. We formulate the dynamic parameter estimation problem with a weighted least-squares objective function, subject to dynamic mass balance equations at the bioreactor level and the intracellular LP model. The problem is solved in GAMS through a simultaneous optimization approach. The data sets for parameter estimation were obtained in experiments performed over 73 hours in batch liquid cultures. Numerical results provide useful insights on the ethanol production by the genetically modified strain within the context of genomic-scale cyanobacterial metabolism.
En este trabajo, presentamos un problema de estimación de parámetros para el análisis de flujo dinámico (DFBA) para estudiar la producción de etanol por una cepa mutante de la cianobacteria Synechocystis sp. PCC 6803, así como datos experimentales. Esta cepa modificada alberga los genes pdc y adhB de Zymomonas mobilis. El modelo incluye dos componentes principales: (1) un modelo dinámico con balances de masa para biomasa, etanol, nitrato, fosfato, nitrógeno interno y fósforo, y (2) un modelo de problema lineal metabólico (LP) a escala del genoma en estado estacionario. La ecuación de biomasa incluye funciones limitantes para la temperatura y la cinética de inhibición del crecimiento por toxicidad del etanol. También se tiene en cuenta la limitación de luz por acumulación de biomasa. Formulamos el problema de estimación de parámetros dinámicos con una función objetivo de mínimos cuadrados ponderados, sujeto a ecuaciones de balance de masa dinámico a nivel de biorreactor y el modelo LP intracelular. El problema se resuelve en GAMS mediante un enfoque de optimización simultánea. Los conjuntos de datos para la estimación de parámetros se obtuvieron en experimentos realizados durante 73 horas en cultivos líquidos por lotes. Los resultados numéricos proporcionan información útil sobre la producción de etanol por la cepa modificada genéticamente en el contexto del metabolismo de las cianobacterias a escala genómica.