Evaluación del proceso de producción de ácido clavulánico: un enfoque integrado de simulación y biología de sistemas

Abstract

RESUMEN: En la actualidad y debido al uso incontrolado de los antibióticos, los microorganismos han desarrollado estrategias de resistencia que impiden la acción eficaz de los medicamentos. Una de las estrategias principales evolutivamente desarrolladas por los organismos ha sido la síntesis de enzimas degradadoras. Para luchar con esto se han encontrado diferentes compuestos inhibidores, entre los cuales uno de los más utilizados es el Ácido Clavulánico, metabolito secundario producido por la bacteria Streptomyces clavuligerus. El objetivo principal de este trabajo fue realizar la integración de estrategias de estudio a nivel metabólico in silico y el modelado de bioprocesos, para realizar un acercamiento a la producción industrial de este compuesto según el estado actual del arte. Se encontró que la adición de aminoácidos relacionados con la ruta de biosíntesis del Ácido Clavulánico (Ácido Glutámico, Arginina, Ornitina, Treonina y Lisina) favorecen tanto la producción del metabolito como la producción de biomasa, así mismo se estableció un medio de producción óptimo con dichos aminoácidos a partir de un diseño de experimentos in silico para la producción del metabolito. A nivel metabólico se realizaron simulaciones en estado estacionario (FBA-Flux Balance Analysis) y dinámico (DFBA-Dynamic Flux Balance Analysis) para el estudio del proceso de bioproducción por lotes. Se establecieron las operaciones unitarias requeridas para el proceso de producción industrial y se integró con una evaluación económica, a partir de la cual se pudo concluir acerca de la rentabilidad operativa de una planta de producción en Colombia concebida conceptualmente para operar bajo las condiciones y procesos establecidos según el estado del arte del estudio del proceso.

ABSTRACT: Currently and due to the uncontrolled use of antibiotics, microorganisms have developed resistance strategies that prevent the effective action of drugs. One of the main evolutionary strategies developed by organisms has been the synthesis of degrading enzymes. To face this issue, different inhibitors have been found, and among them, one of the most used is the Clavulanic Acid, a secondary metabolite produced by the bacterium Streptomyces clavuligerus. The main objective of this work was to integrate study strategies at the in silico metabolic level and bioprocess modeling, in order to approach the industrial production of this compound, according to the current state of the art. It was found that the addition of amino acids related to the Clavulanic Acid biosynthesis pathway (Glutamic Acid, Arginine, Ornithine, Threonine and Lysine) favor both, the production of the metabolite and the production of biomass. Additionally, an optimal production medium supplemented with those amino acids was suggested based on the in silico results of the experimental design. At the metabolic level, steady state (FBA-Flux Balance Analysis) and dynamic (DFBADynamic Flux Balance Analysis) simulations were carried out for the study of the batch bioproduction process. The unit operations required for the industrial production process were established and integrated with an economic evaluation to conclude about the operating profitability of a production plant in Colombia. The plant was conceptually proposed to operate under the established conditions and processes according to the state of the art of the process.