Repositorio
Institucional

Shene, Carolina

Asenjo, Juan A.

Chisti, Yusuf

Metabolic modelling and simulation of the light and dark metabolism of Chlamydomonas reinhardtii

WILEY

PLANT JOURNAL

en

A metabolic network model of the green microalga Chlamydomonas reinhardtii was used to characterize photoautotrophic and heterotrophic (i.e. growth on stored compounds) growth under light and dark, respectively. The metabolic network comprised 2514 reactions distributed among nine intracellular compartments and the extracellular space. The metabolic network included all the key biochemical pathways for synthesis and metabolism of starch and triacylglycerols (TAGs). Under light and nitrogen limitation, the model simulated the accumulation of the energy-rich compounds (TAGs and starch) in the cell. In the dark, the model could simulate cell growth and maintenance on stored compounds. The model-predicted consumption rates of storage compounds (starch or TAGs) to enable growth in the dark, were found to be greater than the rates of synthesis under light. This implied utilization of the storage compounds for cell maintenance in the dark. Under constant illumination, the simulations of cell growth and intracellular starch content agreed closely with independent experimental data. In other simulations, compared with the case without photorespiration, light uptake rate increased 1.04-fold when the ratio of the rates of oxygenation and carboxylation (Rubisco) was 0.1. Although extensive experimental work exists on culture and physiology of microalgae, it does not allow quantitative predictions of the influence of dark metabolism on the productivity of metabolites to be made. This limitation is overcome using the present model. A metabolic network model of Chlamydomonas reinhardtii is shown to simulate growth and synthesis of energy-rich compounds (triacylglycerols and starch) under light. The same model also simulates dark growth and maintenance through consumption of the stored energy-rich compounds.

Se utilizó un modelo de red metabólica de la microalga verde Chlamydomonas reinhardtii para caracterizar el crecimiento fotoautotrófico y heterotrófico (es decir, el crecimiento en compuestos almacenados) bajo luz y oscuridad, respectivamente. La red metabólica comprendió 2514 reacciones distribuidas entre nueve compartimentos intracelulares y el espacio extracelular. La red metabólica incluyó todas las vías bioquímicas clave para la síntesis y el metabolismo del almidón y los triacilgliceroles (TAG). Bajo limitación de luz y nitrógeno, el modelo simuló la acumulación de los compuestos ricos en energía (TAG y almidón) en la célula. En la oscuridad, el modelo pudo simular el crecimiento celular y el mantenimiento de los compuestos almacenados. Se encontró que las tasas de consumo predichas por el modelo de compuestos de almacenamiento (almidón o TAG) para permitir el crecimiento en la oscuridad eran mayores que las tasas de síntesis bajo luz. Esto implicó la utilización de los compuestos de almacenamiento para el mantenimiento celular en la oscuridad. Bajo iluminación constante, las simulaciones del crecimiento celular y el contenido intracelular de almidón concordaron estrechamente con datos experimentales independientes. En otras simulaciones, en comparación con el caso sin fotorrespiración, la tasa de captación de luz aumentó 1,04 veces cuando la relación entre las tasas de oxigenación y carboxilación (Rubisco) fue de 0,1. Si bien existe una amplia experiencia en el cultivo y la fisiología de las microalgas, esta no permite realizar predicciones cuantitativas de la influencia del metabolismo en la oscuridad en la productividad de metabolitos. Esta limitación se supera con el presente modelo. Se demuestra que un modelo de red metabólica de Chlamydomonas reinhardtii simula el crecimiento y la síntesis de compuestos ricos en energía (triacilgliceroles y almidón) bajo luz. El mismo modelo también simula el crecimiento y el mantenimiento en la oscuridad mediante el consumo de los compuestos ricos en energía almacenados.

Artículo original

Este trabajo contó con el apoyo del Centro de Biotecnología y Bioingeniería (CeBiB) FB-0001. Los autores agradecen el financiamiento de la Dirección de Investigación de la Universidad de La Frontera (Convenios de Desempeño I y II, y fondos GAP), Chile.

This work was supported by Centre for Biotechnology and Bioengineering (CeBiB) FB-0001. The authors acknowledge funding from Direccion de Investigacion, Universidad de La Frontera (Convenios de Desempeno I, II and GAP funding), Chile.

10.1111/tpj.14078

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Chlamydomonas

metabolic modelling

starch

triacylglycerols

photoautotrophic growth

heterotrophic growth

technical advance

clamidomonas

modelado metabólico

almidón

triacilgliceroles

crecimiento fotoautótrofo

crecimiento heterótrofo

avance técnico

Plant Sciences

Chlamydomonas

metabolic modelling

starch

triacylglycerols

photoautotrophic growth

heterotrophic growth

technical advance

clamidomonas

modelado metabólico

almidón

triacilgliceroles

crecimiento fotoautótrofo

crecimiento heterótrofo

avance técnico

Biología Molecular

Botánica

Biotecnología Industrial

version publicada

hibrida

acceso abierto

acceso abierto

WOS:000451173000015

Metabolic modelling and simulation of the light and dark metabolism of Chlamydomonas reinhardtii

Artículo original

WILEY

PLANT JOURNAL

Ciencias de las plantas

0960-7412

en

CeBiB FB-0001

UFRO DI Convenios de Desempeno I, II and GAP

This work was supported by Centre for Biotechnology and Bioengineering (CeBiB) FB-0001. The authors acknowledge funding from Direccion de Investigacion, Universidad de La Frontera (Convenios de Desempeno I, II and GAP funding), Chile.

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CeBiB FB-0001#UFRO DI Convenios de Desempeno I, II and GAP