A kinetic model of the central carbon metabolism for acrylic acid production in Escherichia coli

Abstract

O Ácido Acrílico (AA) é um composto químico que atualmente possui um valor de mercado considerável. Contudo, a maioria do AA comercializado ainda é proveniente da oxidação de derivados do petróleo, como o propileno e o propeno, método que se revela dispendioso e que contribui para o deterioramento do planeta. Assim sendo, existe a necessidade de encontrar novos métodos, mais sustentáveis, para a produção deste composto. Recentemente a literatura tem demonstrado que o uso de uma via fermentativa, que permita a produção de AA em Escherichia coli usando o ácido 3-hidroxipropanoico (3-HP) como intermediário, pode vir a ter aplicações à escala industrial. Atualmente conhecem-se três vias que permitem a produção de AA através do glicerol, malonil-CoA, ou β-alanina, distinguidas apenas na via para produção de 3-HP. Os objetivos deste trabalho foram a implementação dessas vias num modelo cinético do metabolismo do carbono central de E. coli para comparar as vias, e, subsequentemente, encontrar possíveis estratégias de optmização que permitam aumentar a produção de AA. Para isso, este trabalho gerou 12 modelos capazes de simular a produção de 3-HP e AA a partir de glucose our glicerol. Uma vez que o método para o cálculo dos Vmax na via heteróloga foi usado com o intuito de evitar a acumulação de intermediários, estes modelos foram mais eficazes na previsão da produção de 3-HP do que de AA. Não obstante, foi concluído que a escolha da fonte de carbono deve depender da via utilizada. Sendo que, para a via do glicerol parece ser mais eficiente usar glicerol, enquanto para as restantes duas vias, o uso de glucose pode ser benéfico. Além disso, este trabalho também sugere que a utilização da via do malonil-CoA pode trazer vantagens para uma produção à escala industrial, uma vez que, ao contrário da via do glicerol, esta não necessita de suplementação de vitaminas, permitindo ainda assim obter uma boa produção de AA. Para finalizar, este trabalho também propõe algumas enzimas que podem ser sobre-expressadas para melhorar a produção de AA. Para a via do glicerol as enzimas são a glicerol-3-fosfato desidrogenase e a glicerol-3-fosfato fosfatase. No caso da via do malonil-CoA é a acetyl-CoA carboxilase. Finalmente, para a via da β-alanina, os alvos sugeridos são a aspartato aminotransferase e a aspartato carboxilase.

Acrylic Acid (AA) is a chemical compound that nowadays has a considerable market value. However, the majority of AA used worldwide still comes from the oxidation of petroleum derivatives, like propylene and propane, which revealed to be expensive and to contribute towards the planet deterioration. Hence, there is currently a need for new and sustainable ways to synthesize this compound. Recently, the literature has been demonstrating the use of a direct fermentation route that allows Escherichia coli to produce AA using 3-hydroxypropionate (3-HP) as an interme diary, and its subsequent application to industrial-scale production. There are three distinct pathways to produce AA, via glycerol, malonyl-CoA, or β-alanine, which mainly differ in the route towards 3-HP production. The goals of this work were the implementation of these three distinct pathways in a dynamic model of the central carbon metabolism of E. coli, in order to compare the pathways, and, subsequently, find possible optimization targets to increase AA production. With that in mind, this work generated 12 models that can simulate 3-HP and AA produc tion from either glucose or glycerol. Because the method for Vmax calculation in the heterologous pathway was used to prevented intermediary accumulation, these models were more effective in predicting the production of 3-HP than AA. Despite that, it was concluded that the best carbon source to produce AA depends on the pathway used. With the glycerol route, it seems more efficient to use glycerol, while with the malonyl-CoA and β-alanine routes, glucose appears to be more beneficial. Besides, the work also suggested that using the malonyl-CoA route might be beneficial for industrial-scale production, as it does not need any supplementation of vi tamins, contrary to the glycerol route, while also presenting good AA yields. Furthermore, this work also suggests some enzymes that were considered as targets for over-expression in each pathway. For the glycerol route, these enzymes were the glycerol-3-phosphate de hydrogenase and the glycerol-3-phosphate phosphatase. In the malonyl-CoA route, it was the acetyl-CoA carboxylase. Finally, for the β-alanine route, the suggested targets were the aspartate aminotransferase and the aspartate carboxylase.