Diseño e implementación de observadores y controladores de las tasas de crecimiento y síntesis en un biorreactor ChiBio

Abstract

[ES] Los biorreactores de pequeña escala y bajo coste se han convertido en una de las herramientas fundamentales para el prototipado y caracterización de construcciones genéticas sintéticas en el ámbito de la biotecnología y la biología sintética. Desde el punto de vista de la caracterización, en un biorreactor interesa trabajar en modo continuo (a diferencia de los modos por lote y semi-lote normalmente preferibles para producción). En este modo, se puede controlar la tasa de crecimiento de la población de microorganismos, manteniéndola constate para que el estado metabólico de los mismos sea estacionario. En estas condiciones, el comportamiento de las construcciones genéticas sintéticas introducidas en el microorganismo no está sometido a transitorios causados por perturbaciones externas asociadas al estado metabólico de la célula, lo cual facilita su caracterización. Por tanto, se requieren algoritmos de control realimentado que sean capaces de mantener la población microbiana en valores constantes deseados de la tasa específica de crecimiento. Dado el carácter fuertemente no lineal de las dinámicas de crecimiento celular, se requieren de controladores no lineales. Dado que el objetivo es controlar la tasa específica de crecimiento, se requiere una estimación de la misma, ya que esta no es medible directamente. Por otro lado, desde el punto de vista de la construcción genética a caracterizar, las medidas disponibles consisten en mediciones basadas en proteínas reporteras fluorescentes. Estas dan una indicación de la magnitud de la fuerza fuerza de expresión de los genes asociados, pero no proporcionan una medida directa de la tasa de síntesis de proteína correspondiente. En este TFG se plantea el diseño, ajuste e implementación de observadores de modo deslizante para la estimación de la tasa específica de crecimiento microbiano en cultivos continuos y la tasa de síntesis de construcciones genéticas. Se analizará la posibilidad de usar un observador conjunto de tasa de crecimiento y tasa de síntesis frente al uso de dos observadores acoplados. A su vez, en el TFG se diseñará, ajustará e implementará una estrategia de control no lineal para la regulación de la tasa específica de crecimiento. Los observadores y controladores desarrollados se evaluarán experimentalmente sobre un biorreactor ChiBio y se optimizarán los parámetros mediante el optimizador global MEIGO.

[EN] Small-scale, low-cost bioreactors have become one of the fundamental tools for prototyping and characterizing synthetic genetic constructs in the field of biotechnology and synthetic biology. From the point of view of characterization, it is important to work in continuous mode (as opposed to the batch and fed-batch modes normally preferable for production). In this mode, the growth rate of the population of microorganisms can be controlled, keeping it constant so that their metabolic state is stationary. Under these conditions, the behavior of the synthetic genetic constructs introduced into the microorganism is not subject to transients caused by external perturbations associated with the metabolic state of the cell, which facilitates its characterization. Therefore, feedback control algorithms that are capable of maintaining the microbial population at constant desired values of the specific growth rate are required. Given the strongly nonlinear nature of cell growth dynamics, nonlinear controllers are required. Since the objective is to control the specific growth rate, we will need an estimate of it, since this is not directly measurable. On the other hand, from the point of view of the genetic construct to be characterized, the available measurements consist of measurements based on fluorescent reporter proteins. These give an indication of the magnitude of the strength "expression strength" of the associated genes, but do not provide a direct measure of the corresponding protein synthesis rate. This TFG proposes the design, adjustment and implementation of sliding mode observers for the estimation of the specific rate of microbial growth in continuous cultures and the rate of synthesis of genetic constructs. The possibility of using a joint observer of growth rate and synthesis rate versus the use of two coupled observers will be analyzed. In turn, in this TFG we will design, adjust and implement a non-linear control strategy for the regulation of the specific growth rate. The developed observers and controllers will be experimentally evaluated on a Chi.Bio biorreactor and the parameters will be optimized using the MEIGO global optimizer.