Development of spatiotemporal model of growth and proliferation in fungi with kinetics of intracellular metabolism

Abstract

Filamante fungiler biyoteknoloji alanında üretimler için önemli kaynaklardır. Ancak üretim kapasiteleri morfolojilerindeki limitasyonlar nedeniyle düşüktür. Özellikle salgılanan ürünler için filamente form ve üreme içinde pellet formu daha uygundur. Kritik biyokütle gerekliliği göz önünde bulundurulmadan yeterli seviyede ürün edilememektedir. Aynı şekilde sadece üreme göz önünde bulundurulduğunda büyümeye bağlı olmayan ürünler için verim sağlanamamaktadır. Sonuç olarak pellet veya filamente formun fungilerde optimizasyonu biyoteknoloji endüstrisi önemlidir. S.cerevisiae hem pellet hem de yalancı hif olarak adlandırılan ara forma sahiptir. Bu tür, endüstriyel fungilerin optimizasyonunun nasıl olması gerektiği konusunda araştırılmaktadır. Büyüme ve üretim arasındaki etkileşimi daha iyi anlamak için fungal merkez metabolizmayı içeren bir spatiotemporal model (uzay ve zaman bağlı olarak değişen) bir model geliştirilmiştir. Bu yapılırken S. cerevisiae tarafından katı hal fermentasyonunda yalancı hiflerle büyümesi taklit edilmiştir. Bunun için kütle dengelerine bağlı olarak hücrelerin zaman ve uzaya bağlı olarak büyümeleri ve yayılmaları kısmı diferansiyel denklemler kullanılarak açıklanmıştır. Bu denklemler çizgi metodu kullanılarak uzayı iki boyuta indirgemiştir. Yapılan model büyümeyi hücre içi Ergosterol seviyelerinin bir fonksiyonu olarak kabul edip altında yatan metabolizmayı göz önünde bulundurmaktadır. Bu metabolizma asetattan başlayıp mevalonat ve Ergosterol yolaklarını içermektedir. Ayrıca asetat üretimi direkt olarak glukoza bağlatılıp merkez metabolizmanın basitleştirilmiş bir formu da yapılmıştır. Bu model farklı hücresel işlemler arasında enerji dağılımına bağlı olarak büyüme ve üretim arasındaki ilişkinin, patojenik fungilerin yayılmalarını ve saldırmalarını, ve hücre içi reaksiyon kinetiğinin fenotipe etkisininin araştırılmasında kullanılabilir.

Filamentous fungi are important hosts of industrial biotechnology. Yet, the production capacity suffers from the fungal morphology limitations. While the filamentous form is appropriate for production, in particular secreted products, pellet form is better suited for growth. By solely producing, adequate product levels cannot be obtained, as critical biomass is also needed, yet by solely growing, product yield would be low, especially for non-growth associated products. As a result, optimization of pellet or filamentous form in fungi became an important topic for biotechnological industry. S.cerevisiae existing in pellet or the intermediate form pseudohypha has long being studied for optimizing the suitable form for industrial fungi. To better understand, the trade-off between growth and production a spatio-temporal model (changing with time and space) has been developed taking into account simplified central metabolism of fungi. In doing so, pseudohyphal growth in solid state fermentation by S. cerevisiae was mimicked. To do so, general mass balances has been set up to describe how the cells grow and proliferates over time and space using partial differential equations. The resulting PDE has been solved using method of lines, discretizing space in two dimensions. The model takes growth as a function of intracellular ergosterol levels, thereby taking into account underlying metabolism, via mevalonate and ergosterol pathways starting from acetate. The acetate production has been linked to glucose representing a highly simplified form of central metabolism. The model could be used to study to understand how pathogenic fungi proliferates, and attack other cells, how the kinetics of intracellular reactions effect the phenotype, and the trade-off between growth and production in terms of distribution of energy among different cellular processes.