Metabolic flux-based optimisation of recombinant human interleukin-3 expression by Streptomyces lividans 66

A metabolic reaction network including carbohydrate and amino acid metabolism in both anabolic and catabolic reactions was developed for Streptomyces lividans. Based on observed nutrient consumption, the fermentation process comprised two stages: amino acid uptake in the first phase followed by ammonia uptake as the nitrogen source in the second phase. Linear programming in combination with eight measured input and output fluxes was employed to determine the flux distribution through the major metabolic pathways in both phases of the batch fermentations. Two different objective functions were defined and examined: optimising biomass production by maximising the specific growth rate and optimising a balanced redox metabolism by minimising excess NAD(P)H production. The flux distributions obtained for the two objectives were very similar. The model predicted specific growth rate agreed well (8–10% difference) with observations. A uniform distribution was assumed for each biomass component and the results showed that, using either objective the biomass composition does not have a significant effect on the internal distribution of fluxes. Un réseau de réactions métaboliques comprenant le métabolisme d'hydrates de carbone et d'acides aminés, à la fois dans des réactions anaboliques et cataboliques, a été développé pour Streptomyces lividans. Une programmation linéaire en combinaison avec huit flux mesurés d'entrée et de sortie a été utilisée pour déterminer la distribution de flux de voies métaboliques majeures et lors de fermentations en lots. Deux fonctions objectives différentes ont été définies et examinées : l'optimisation de la production de biomasse en maximisant le taux de croissance spécifique et optimisation d'un métabolisme redox équilibré en réduisant au minimum la production excessive de NAD(P)H. En se basant sur la consommation observée d'éléments nutritifs, le processus de fermentation a été divisé en deux étapes. Les distributions de flux obtenues pour les deux objectifs étaient très similaires. On a supposé une distribution uniforme pour chaque composant de biomasse et les résultats montraient qu'avec l'utilisation de l'un ou de l'autre objectif, la composition de biomasse n'avait pas d'effet significatif sur la distribution interne des flux. © 2011 Canadian Society for Chemical Engineering