Constraint-based metabolic models and their application in industrial biotechnology

Abstract

This thesis is focused on the application of small constraint-based models to analyze and predict the behavior of wild type and modified strains of Pichia pastoris. The presented work deals with the common limitations that industrial environment imposes: measurements are scarce, models are not detailed, the modelled organisms are not always well-known and, in most cases, they are genetically modified.

The results have been divided in three articles.

The first presents the validation of a small FBA (flux balance analysis) model of unmodified P. pastoris cells, based on the assumption of “maximizing growth” as evolved biological objective for the cells. The model has been validated in heterogeneous experimental situations.

In the second article, I exploit a feature of constraint-based models: they are easily extendable.In particular, the FBA model has been extended to represent and predict the behavior of genetically modified cells of P. pastoris producing a recombinant protein. The new model represents the energetic requirements of the protein production process, and also the impact that protein production has over the cells growth. The model predictions for growth and even for protein production have been validated against multiple experimental datasets.

Finally, a software toolbox is presented. It implements two MFA-wise methods to get estimations from small, constraint-based models in uncertain scenarios. These implementations simplify and extend the application of MFA (Metabolic flux analysis) when measurements are scarce and imprecise. The thesis is an application of small, constraint-based models to P. pastoris. It illustrates how these models can be a valuable tool to analyze, estimate or predict the behavior of unmodified and modified P. pastoris cells. The approaches followed in this work account for some of the limitations of industrial environments, and thus, they may be of use when modelling other microorganisms of industrial interest.

Esta tesis está enfocada en la aplicación de pequeños modelos basados en restricciones con el fin de analizar y predecir el comportamiento de cepas salvajes y genéticamente modificadas de Pichia pastoris. El trabajo presentado afronta las limitaciones comunes que los ambientes industriales imponen: las mediciones son escasas, los modelos no son detallados, los organismos modelados no son siempre bien conocidos y en muchos casos han sido modificados genéticamente.

Los resultados han sido divididos en tres artículos. El primero presenta la validación de un pequeño modelo FBA (flux balance analysis) para organismos no modificados de P.pastoris basado en la suposición de ‘’maximizar el crecimiento’’ como objetivo biológico de la evolución de las células. El modelo ha sido validado en situaciones experimentales heterogéneas.

En el segundo artículo, he explotado una característica de los modelos basado en restricciones: estos modelos se pueden ampliar para representar y predecir el comportamiento de células genéticamente modificadas de P. pastoris produciendo una proteína recombinante. El nuevo modelo representa los requerimientos energéticos del proceso de producción de proteína, además del impacto que tiene este proceso sobre el crecimiento celular. Las predicciones del modelo para crecimiento e incluso para la producción de proteína han sido validadas usando múltiples conjuntos de medidas experimentales.

Finalmente, se presenta una herramienta software. Esta implementa dos métodos MFA-wise para obtener estimaciones de pequeños modelos basados en restricciones en escenarios con incertidumbre. Esta implementación facilita y extiende la aplicación de MFA (Metabolic flux analysis) cuando las mediciones son escasas e imprecisas.

La tesis es una aplicación de pequeños modelos basados en restricciones a P. pastoris. Esta ilustra cómo estos modelos pueden ser una herramienta útil para analizar, estimar o predecir el comportamiento de células de P. pastoris modificadas o salvajes. Los enfoques seguidos en este trabajo consideran algunas de las limitaciones de ambientes industriales y en consecuencia, estos tal vez pueden ser de uso cuando se modelen otros organismos de interés industrial.