Optimization of poly-3-hydroxybutyrate production with different microorganisms using the Dynamic Simulations for Evaluation of Economic Potential (DySEEP) approach (2025)
- Authors:
- Autor USP: SANTOS, WILLIANS DE OLIVEIRA - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PQI
- Assunto: ENGENHARIA QUÍMICA
- Agências de fomento:
- Language: Inglês
- Abstract: A preocupação com impactos ambientais tem levado a um aumento de interesse em bioprocessos como por exemplo a produção de bioplásticos nas últimas décadas. Contudo, a viabilidade econômica continua sendo uma barreira para uma produção mais ampla de bioplásticos como o conhecido poli-3-hidroxibuturato (PHB). Devido a isso, muitas pesquisas têm usado modelos metabólicos e ferramentas computacionais para guiar estratégias de engenharia metabólica com o intuito de melhorar a produção de PHB. No entanto, muitos desses trabalhos focam em construir cepas capazes de maior conversão para produto, sem levar muito consideração outros parâmetros importantes de bioprocesso como a concentração final do produto e a produtividade. Visto que pode haver um compromisso entre a formação de biomassa e de produto, especialmente em casos de produção associada ao crescimento, abordagens que podem acompanhar todos esses parâmetros são mais adequadas para avaliação de bioprocessos, e isso pode ser feito usando ferramentas como o Dynamic Flux Balance Analysis (DFBA). Simulações de DFBA usam modelos estequiométricos, expressões cinéticas para as reações de consumo, problema de otimização vindo de Flux Balance Analysis (FBA) para predizer fluxos internos, e equações de balanço de massa para acompanhar a concentração de metabólitos externos. Em vista disso, este trabalho apresenta uma abordagem para a avaliação do potencial de produção de produtos de interesse industrial a partir do uso de DFBA e modelos estequiométricos de escala genômica, junto a métricas adequadas de avaliação econômica. A abordagem é nomeada Simulações Dinâmicas para Avaliação do Potencial Econômico (no Inglês, DySEEP). Usando a abordagem DySEEP, a produção de PHB usando o microrganismo recombinante Cupriavidus necator,e os microrganismos Escherichia coli e Saccharomyces cerevisiae recombinantes com rota de síntese de PHB dependente do cofator NADPH ou NADH foi analisada sob condições diferentes como um estudo de caso. Através das simulações, foi possível encontrar os cenários que levariam a um fluxo de dinheiro positivo e ao lucro bruto mensal máximo teórico, e qual fonte de carbono é a mais promissora. Também através da abordagem proposta, análise econômica foi realizada para calcular as métricas clássicas de avaliação econômica como o Valor Presente Líquido, tempo de retorno, Retorno sobre Investimento, e Taxa Interna de Retorno, para cada cenário simulado. Para as simulações de produção de PHB associada ao crescimento em batelada alimentada com E. coli recombinante, foi calculado que há cenários que alcançam viabilidade econômica, e com isso, foi identificado o chamado ponto de equilíbrio (break-even point). Esta informação foi utilizada junto a um algoritmo de design de cepas chamado Minimal Cut Set, para identificar sugestões de deleções de genes que poderiam melhorar a produção de PHB, apontando então alvos para estratégias de engenharia metabólica. E para produção de PHB não associada ao crescimento, foi identificado os instantes ideais para mudança de estágio, apontando assim alvos em potencial para operação de biorreator e estratégias de biologia sintética. Esses resultados demonstram a capacidade da abordagem DySEEP em obter informações relevantes para a pré-avaliação e otimização de bioprocessos de interesse industrial.
- Imprenta:
- Data da defesa: 17.03.2025
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ABNT
SANTOS, Willians de Oliveira. Optimization of poly-3-hydroxybutyrate production with different microorganisms using the Dynamic Simulations for Evaluation of Economic Potential (DySEEP) approach. 2025. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2025. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-14012026-153827/pt-br.php. Acesso em: 27 jan. 2026. -
APA
Santos, W. de O. (2025). Optimization of poly-3-hydroxybutyrate production with different microorganisms using the Dynamic Simulations for Evaluation of Economic Potential (DySEEP) approach (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-14012026-153827/pt-br.php -
NLM
Santos W de O. Optimization of poly-3-hydroxybutyrate production with different microorganisms using the Dynamic Simulations for Evaluation of Economic Potential (DySEEP) approach [Internet]. 2025 ;[citado 2026 jan. 27 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-14012026-153827/pt-br.php -
Vancouver
Santos W de O. Optimization of poly-3-hydroxybutyrate production with different microorganisms using the Dynamic Simulations for Evaluation of Economic Potential (DySEEP) approach [Internet]. 2025 ;[citado 2026 jan. 27 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-14012026-153827/pt-br.php - Produção de poli-3-hidroxibutirado em Escherichia coli recombinante com deleção dos genes que codificam as enzimas com atividade transidrogenase
- Production of poly-3-hydroxybutyrate in recombinant Escherichia coli, deleted on genes encoding transhydrogenase enzymes
- Analysis of Poly-3-Hydroxybutyrate production with different microorganisms using the dynamic simulations for evaluation of economic potential approach
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