INGENIERIA METABOLICA Extraído del curso: “Systems Biology and Bioengineering” Bernhard Palsson, Department of Bioengineering, UCSD BT52A-BT741.

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1 INGENIERIA METABOLICA Extraído del curso: “Systems Biology and Bioengineering” Bernhard Palsson, Department of Bioengineering, UCSD BT52A-BT741

2 Contenido Systems Biology Modelos Matemáticos
Análisis de Flujos Metabólicos

3 Biología de Sistemas

4 Biología de Sistemas Involucra el análisis cuantitativo y optimización de procesos celulares mediante un enfoque sistémico e integrado de la célula y su funcionamiento. El objetivo es entender cómo los distintos componentes celulares interactúan entre sí en forma coordinada, permitiendo que el sistema funcione como un todo; lo cual requiere de una descripción detallada de la interacción y operación de los distintos módulos funcionales de la célula. Para comprender la relación entre genotipo y fenotipo, requiere de la integración de un enfoque experimental, cuantitativo, con modelos computacionales de redes celulares y procesos.

5 Modelos Matemáticos Modelo = Descripción matemática de la realidad
¿Porqué y para qué modelar? Para integrar la información existente en un todo coherente (representación del conocimiento) Para comprender los componentes e interacciones importantes en un sistema complejo. Para entender las características esenciales del sistema. Para descubrir nuevas estrategias.

6 Modelos Metabólicos ¿Porqué estudiar el Metabolismo?
El metabolismo representa la “máquina” central en la “fábrica” celular. Azúcares Biocombustibles etanol H2 Biomateriales polilactato Biochemicals enzimas fármacos

7 Modelos Metabólicos Se basan en información conocida de las redes metabólicas de distintos organismos y hacen uso de generalizaciones y simplificaciones, que se representan de forma matemática para hacer posible el análisis y la optimización Continuos: Variaciones de concentraciones de enzima en el tiempo debido a perturbaciones. Discretos: Estados metabólicos en función de distintas condiciones como distintas fuentes de carbono. Estequiométricos: Representan la red de reacciones metabólicas de un sistema.

8 Análisis de Flujos Metabólicos
Método para estimar los flujos metabólicos a partir de tasas de consumo y producción medidas experimentalmente. Utiliza modelos estequiométricos de las vías y balances de masa para metabolitos intracelulares Suposición principal: estado estacionario del metabolismo celular

9 Análisis de Flujos Metabólicos
Se obtiene un mapa de flujos metabólicos que permite comparar distintas condiciones y encontrar posibles problemas en la vía

10 Análisis de Flujos Metabólicos
Balances de masa: rCO rCH4 CO CH4 rCO2 rO2 CO2 O2 rH20 H2O

11 Análisis de Flujos Metabólicos
S v = b Tasas específicas vector b Positivas  producción Negativas consumo Matriz estequiométrica S Columnas reacciones Filas  compuestos

12 Ecuación de Balance Metabólico
r = S · v v : vector de flujos r : vector de concentración de metabolitos (flujos medibles) S: matriz de coeficientes estequiométricos

13 Ejercicio 1 Sustrato (S) 1 Metabolito Intracelular 1 (A) 2 3
  1 Metabolito Intracelular 1 (A)    3 Metabolito Intracelular 2 (B) Producto 1 (P1) 4   Metabolito Intracelular 3 (C)  6 Producto 2 (P2) Producto 3 (P3)    

14 Reacciones 1 1. S A 2 2. A B 3 3. B P1 4 4. B C 5 5. C P2 6

15 Balance Estado Estacionario para Metabolitos Intracelulares
B:   4 =  2 =  4 C:   6 =  4 =  6

16 Matriz de Coeficientes estequiométricos
S v = b S = S P1 P2 P3 A B C

17 Ecuación de Balance Metabólico
Xs 1 Xp 2 Xp 3 Xp3 = 4 5 6 6 incógnitas, 3 metabolitos en estado estacionario 3 grados de libertad, hay que medir 3 metabolitos: xs = -1 xp1 = xp2 = 0.5

18 Ecuación de Balance Metabólico
1 2 3 = 4 5 6

19 Resultado 1 1 1 2 0.3 3 0.7 = 4 0.5 5 0.2 6 Sustrato (S) 1
Met Int 1 (A)   Met Int 2 (B) Producto 1 (P1) Met Int 3 (C)   Producto 2 (P2) Producto 3 (P3) 1 1 1 2 0.3 3 0.7 = 4 0.5 5 0.2 6

20 Ejercicio 2 B A C D E F G H 1 ATP CO2 2 NAD+ NADH 3 4 5 6 7 ADP

21 Reacciones 1 A + ATP  C + CO2 2 B + NAD+  C 3 C  D + ATP 4
C  E + CO2 5 D + ATP  F + CO2 6 D  G + NAD+ 7 F + ATP  H + NAD+ OJO: Pares de co-factores, como ATP/ADP, NADH/NAD+, etc. incorporan coeficientes con signo opuesto e idéntico en las ecuaciones estequiométricas. Por lo tanto, solo se incluye uno de los dos, para evitar aparición de columnas linealmente dependientes.

22 Balance Estado Estacionario para Metabolitos Intracelulares
F: 5 - 7 = 0  5 = 7 ATP: - 1 + 3 - 5 - 7 = 0  3 = 1 + 5 + 7 NAD+: - 2 + 6 + 7 = 0  2 = 6 + 7

23 Matriz de Coeficientes estequiométricos

24 Ecuación de Balance Metabólico
r = T T V V : vector de flujos r : vector de flujos medibles T: matriz de coeficientes estequiométricos

25 Ecuación de Balance Metabólico
7 incógnitas, 5 metabolitos en estado estacionario 2 grados de libertad, hay que medir 2 metabolitos: rA = -2 rB = -3

26 Ecuación de Balance Metabólico

27 Ecuación de Balance Metabólico

28 Resultado 2 3 0.5 2.5 B A C D E F G H ATP CO2 NAD+ NADH ADP