Browsing by Author "Saitúa, Francisco Javier"

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    Dynamic genome-scale metabolic modeling of the yeast Pichia pastoris
    (2016) Saitúa, Francisco Javier; Agosin T., Eduardo; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Pichia pastoris posee ventajas fisiológicas para la producción de proteínas recombinantes en comparación a las factorías celulares convencionales. Esta levadura es comúnmente cultivada en condiciones dinámicas, donde el ambiente extracelular cambia constantemente y numerosas variables inciden en la productividad del proceso. En este contexto, un modelo capaz de explicar y predecir el comportamiento celular para el diseño racional de bioprocesos es altamente deseable. En este trabajo, se ensambló un modelo dinámico a escala genómica de Pichia pastoris para cultivos aeróbicos batch y fed-batch limitados en glucosa. El modelo fue calibrado con datos de fermentaciones, luego de lo cual se realizaron diagnósticos de pre/post regresión para determinar problemas de sensibilidad, significancia e identificabilidad entre sus parámetros. Una vez identificados, los parámetros irrelevantes fueron fijados iterativamente hasta encontrar una estructura de modelación sin problemas paramétricos a priori. La robustez de estas estructuras fue comprobada mediante la calibración de nuevos datos experimentales, donde no aparecieron los problemas antes mencionados. Finalmente, el modelo fue validado para la predicción de dinámicas batch y fed-batch en condiciones similares a las estudiadas.Luego de la validación, el modelo fue utilizado para revelar estrategias de ingeniería genética y de procesos para optimizar la producción de Albúmina Sérica Humana (HSA) recombinante. La simulación de knock-outs indicó que el desvío del carbono hacia la formación de cisteína y triptófano podría mejorar la producción de HSA. En particular, la deleción de la enzima Metilen-tetrahidrofolato deshidrogenasa podría aumentar la productividad volumétrica de la formación de HSA en un 630%. Además, el modelo indicó que es posible mejorar en un 24% la productividad de la formación de HSA mediante una política de tasa de crecimiento decreciente en la fase de alimentación de un cultivo fed-batch. En conclusión, se formuló un modelo dinámico a escala genómica de Pichia pastoris capaz de entregar distribuciones de flujo realistas durante cultivos dinámicos y proponer, de manera racional, estrategias de ingeniería metabólica y de procesos para mejorar el desempeño de un biorreactor.
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    Dynamic genome-scale metabolic modeling of the yeast Pichia pastoris
    (2017) Saitúa, Francisco Javier; Torres Plaza, Paulina Macarena; Pérez C., José Ricardo; Agosin T., Eduardo
    Abstract Background Pichia pastoris shows physiological advantages in producing recombinant proteins, compared to other commonly used cell factories. This yeast is mostly grown in dynamic cultivation systems, where the cell’s environment is continuously changing and many variables influence process productivity. In this context, a model capable of explaining and predicting cell behavior for the rational design of bioprocesses is highly desirable. Currently, there are five genome-scale metabolic reconstructions of P. pastoris which have been used to predict extracellular cell behavior in stationary conditions. Results In this work, we assembled a dynamic genome-scale metabolic model for glucose-limited, aerobic cultivations of Pichia pastoris. Starting from an initial model structure for batch and fed-batch cultures, we performed pre/post regression diagnostics to ensure that model parameters were identifiable, significant and sensitive. Once identified, the non-relevant ones were iteratively fixed until a priori robust modeling structures were found for each type of cultivation. Next, the robustness of these reduced structures was confirmed by calibrating the model with new datasets, where no sensitivity, identifiability or significance problems appeared in their parameters. Afterwards, the model was validated for the prediction of batch and fed-batch dynamics in the studied conditions. Lastly, the model was employed as a case study to analyze the metabolic flux distribution of a fed-batch culture and to unravel genetic and process engineering strategies to improve the production of recombinant Human Serum Albumin (HSA). Simulation of single knock-outs indicated that deviation of carbon towards cysteine and tryptophan formation improves HSA production. The deletion of methylene tetrahydrofolate dehydrogenase could increase the HSA volumetric productivity by 630%. Moreover, given specific bioprocess limitations and strain characteristics, the model suggests that implementation of a decreasing specific growth rate during the feed phase of a fed-batch culture results in a 25% increase of the volumetric productivity of the protein. Conclusion In this work, we formulated a dynamic genome scale metabolic model of Pichia pastoris that yields realistic metabolic flux distributions throughout dynamic cultivations. The model can be calibrated with experimental data to rationally propose genetic and process engineering strategies to improve the performance of a P. pastoris strain of interest.
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    Viscous damper optimization in multistorey building structures
    (2017) Saitúa, Francisco Javier; López-García González, Diego; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    En esta investigación se estudia la distribución óptima en altura de disipadores viscosos instalados en edificios. La excitación sísmica es modelada como un proceso estocástico (ruido blanco filtrado) y las estadísticas de la respuesta estructural son obtenidas a través de un análisis en formulación espacio-estado. Para aplicaciones que involucran dispositivos no lineales se aplican técnicas de linealización estadística. Tres consideraciones de diseño práctico son abordadas: (i) cuantificación realista del costo de los disipadores, basada en la capacidad de fuerza del disipador en vez de en su coeficiente de amortiguamiento; (ii) análisis de distintas configuraciones de soporte de los disipadores que permiten conectarlos entre pisos no consecutivos de manera de maximizar la disipación de energía; y (iii) incorporación explícita en la optimización del costo de reforzamiento de columnas que podría ser requerido para soportar las fuerzas inducidas por los disipadores a través del sistema de soporte. Cinco funciones objetivo son definidas para tratar estas consideraciones, todas cuantificadas en términos del costo de los disipadores. El impacto de la linealización estadística cuando las funciones objetivo incluyen valores extremos es analizado. El problema de diseño óptimo considera la respuesta estructural como restricción, exigiendo que un nivel de reducción de respuesta objetivo sea obtenido a través de la acción de los disipadores. Una extensión hacia una formulación de diseño multi-objetivo también es discutida. Este marco teórico es ilustrado con el diseño de un sistema de disipación viscosa aplicado a un edificio chileno real de 26 pisos, considerando una excitación sísmica compatible con la amenaza sísmica regional. Los resultados demuestran que la optimización que explícitamente minimiza funciones de costo deviene beneficios económicos sustanciales, y que disipadores conectados entre pisos no consecutivos contribuyen considerablemente a la reducción de costos del sistema de disipación.