Guía Docente de --------

Universidad de Murcia Curso Académico: 2010/11 Facultad de Química

Título (276): Máster en Química Fina y Molecular 1-Identificación 1.1. De la asignatura

Nombre de la signatura OPTIMIZACIÓN DE BIOPROCESOS CON CÉLULAS Código 5433

Curso 1º Carácter Optativo

ECTS 3 Duración cuatrimestral (1º/ 2º)

1.2 Del profesorado:

Nombre y Apellidos

Área/ Departamento

Despacho y Facultad dónde

se ubica.

Teléfono Correo electrónico y página web.

Horario de atención al alumnado

Clases teóricas 1º C 2º C M. Canovas A. Manjón J.L. Iborra

Bioquímica y Biol. Molec

/Bioquímica y Biol. Molec B e

Inmunol

104-106 de Facultad de

Química 868-887391 868-887393 868-887395

amanjon@um.es mcanovas@um.es

jliborra@um.es

Clases prácticas de laboratorio

M. Canovas A. Manjón J.L. Iborra

Bioquímica y Biol. Molec

/Bioquímica y Biol. Molec B e

Inmunol

101-104-106 de Facultad de

Química 868-887391 868-887393 868-887395

amanjon@um.es mcanovas@um.es

jliborra@um.es

2- Presentación Los objetivos principales de esta asignatura son:

Presentar la importancia de los distintos estados fisiológicos celulares en los bioprocesos.

Definir las rutas metabólicas de los organismos de interés industrial. Establecer sus características comunes. Señalar los puntos de cruce más importantes de las rutas metabólicas y los sistemas de regulación del metabolismo.

Establecer los métodos por los cuales se puede lograr la superproducción de metabolitos por organismos de interés industrial.

Describir los métodos por los cuales se pueden modificar células y las consecuencias a que ello conduce sobre la actividad y viabilidad celular.

Establecer las ventajas de las células inmovilizadas sobre las libres en bioprocesos.

Definir el concepto de análisis de control metabólico: Detección de nodos críticos y establecimiento de la metodología necesaria para la determinación de los flujos metabólicos, así como presentar los métodos posibles para, de modo definido, alterarlos.

Modificar el entramado metabólico de reacciones bioquímicas a fin de conseguir un objetivo de producción específico.

Manipular las condiciones de los procesos celulares-enzimáticos reguladores o de transporte, para mejorar el rendimiento específico en producto.

3- Conocimientos previos

Los alumnos participantes deberán tener conocimientos sobre el metabolismo celular, rutas metabólicas y su regulación, sobre la estructura y función de las proteínas y enzimas reguladoras y enzimáticas, sobre el metabolismo de los procesos de replicación, transducción y traducción, así como de su regulación, tanto en procariotas como en eucariotas, sobre las bases que permiten modelar procesos/rutas bioquímicas.

Los conocimientos Bioquímicos y de Biología Molecular necesarios son los relativos a estructura de macromoléculas, catálisis enzimática, bioenergética, metabolismo y su regulación y las bases moleculares de la transmisión de la información genotipo a fenotipo.

Los conocimientos matemáticos necesarios son los relativos a un cálculo de base media.

Por ello, habrán seguido cursos de Bioquímica, Bioquímica Industrial y/o Ingeniería Bioquímica, poseerán, además, conocimientos de microbiología a nivel elemental y matemáticas a nivel básico de ecuaciones diferenciales. La asignatura

“Optimización de Bioprocesos con Células” supone para ellos una puesta al día y complementación de muchos de los temas básicos que se presentan como casos representativos del desarrollo de la Biotecnología. 4- Competencias

Con ésta asignatura optativa, los estudiantes harán aportaciones a la consecución de:

Competencias Básicas del Master: Todas.

Competencias Generales del Máster: GCM (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 11, 12, 13, 15 y 16) Competencias Específicas del Máster: CEM (6, 7, 8, 9, 10)

Resultados de aprendizaje:

El alumno adquirirá conocimientos sobre

La optimización de rutas metabólicas, y de regulación, que poseen los organismos implicados en procesos de producción industrial de compuestos de interés y sobre cómo controlar dichos procesos y cuantificarlos, con vistas a desarrollar el bioproceso adecuado.

La optimización de las macrocinéticas de los reactores en que se desarrollan y estabilizan.

Las aplicaciones en síntesis orgánica y química fina de los diseños del medio de reacción encaminados a la optimización del funcionamiento metabólico en bioprocesos y biomedicina.

Las técnicas de optimización metabólica, sobre el uso de software aplicable a la determinación de flujos y análisis transcriptómico.

El diseño de un modelo In silico de las rutas metabólicas asociadas a células procariotas y eucariotas en bioprocesos.

El campo de la ciencia de generación de nuevos catalizadores para producir nuevas biomoléculas, integrar nuevas redes génicas, combinar nuevos componentes celulares, etc., para estudiantes de ciencias experimentales.

La integración en modelos in silico de las rutas metabólicas y de señalización que las regula y,

La contribución de las aproximaciones tanto ascendentes, desde la reacción bioquímica en la ruta hasta la descripción del sistema biológico completo, “botton up”, como descendentes, desde el sistema completo a las rutas metabólicas que lo

componen, “Top down”, al estudio de los sistemas biológicos completos. 5- Contenidos Programa teórico:

1. Optimización del metabolismo celular. Ingeniería Metabólica como herramienta en la optimización.

2. Reacciones metabólicas: Revisión del metabolismo celular. Puntos de control metabólico.

3. Modelos usando la Teoría de Sistemas Bioquímicos (TSB). Sistemas lineales y ramificados.

4. Ley General de Acción de Masas (GMA) y balances de materia. Relación entre la TSB y la GMA.

5. Rutas metabólicas y su regulación. De los mapas metabólicos a las ecuaciones.

6. Estimación de parámetros bioquímicos y cinéticos.

7. Estudio dinámico y en el estado estacionario de rutas metabólicas: optimización del bioproceso.

8. Teoría de análisis de flujos metabólicos. Métodos de determinación de flujos.

9. Conceptos sobre el Control de análisis de flujos. Aplicaciones en la optimización.

10. Análisis de sensibilidad: Viabilidad del modelo establecido.

11. Caso de estudio: el metabolismo central de E. coli.

12. Caso de estudio: el metabolismo secundario de E. coli.

13. Perspectivas futuras de los bioprocesos realizados por células: Papel del flujo de información genoma-transcriptoma-proteoma-metaboloma-enviroma.

Programa de clases prácticas: 1.- Estudio de optimización de un proceso discontinuo con células en suspensión. 2.- Estudio de optimización de un proceso continuo con células en suspensión con y sin recirculación. 3.- Estudio de un proceso continuo con células microbianas en suspensión y la presencia de protozoos.

4.- Estudio de un reactor continuo con retención del biocatalizador enzimático. 5.- Estudio de un proceso aerobio con células inmovilizadas. 6.- Estudio de un proceso con enzimas inmovilizadas. 7.- Estudio de un proceso con enzimas retenidas en un tubo de diálisis. 8.- Estudio de dos poblaciones celulares inmovilizadas en un soporte sólido. 6- Metodología docente y Estimación del volumen de trabajo del

estudiante (ECTS)

Las clases teóricas se desarrollaran en el aula, con empleo de medios audiovisuales para facilitar el proceso de aprendizaje. Además, sobre cada uno de los temas, se realizarán ejercicios prácticos y seminarios de discusión sobre algún aspecto monográfico tratado.

Estimación del volumen de trabajo:

NOMBRE DE LA ASIGNATURA: OPTIMIZACIÓN DE BIOPROCESOS CON CÉLULAS Nº de alumnos: Nº de grupos de Teoría: -1-

Distribución Horas ECTS Clases teórica 13 1.3 Prácticas de laboratorio 5 0.5 Exámenes 2 0.2 Seminarios y trabajos dirigidos 10 1.0 30 3

Créditos: --3-- ECTS Nº de grupos de Seminarios: -1- Nº de grupos de Tutorias: -1-

Volumen de trabajo del alumno Actividad Hora

presencial A

Factor1 B

Trabajo Personal C (A x B)

Volumen de trabajo

D (A +C) CLASES TEÓRICAS Presentación de la asignatura 1 1.0 1 2 Lección magistral 12 1.2 14 26 CLASES PRÁCTICAS Seminarios y problemas 10 2 20 30 Prácticas de Laboratorio 5 2 10 15 TUTORÍAS EVALUACIÓN Preparación de exámenes 2 Realización de evaluaciones

Total 75 Relación trabajo/ECTS2 75/3 créditos = 25 h

7- Temporalización Bloque temátic

o

Temas Clases magistrale

s

Seminarios Tutorias Totales

1. Optimización del metabolismo celular. Ingeniería Metabólica como herramienta en la optimización.

0,5

2. Reacciones metabólicas: Revisión del metabolismo celular. Puntos de control metabólico.

1

3. Modelos usando la Teoría de Sistemas Bioquímicos (TSB). Sistemas lineales y ramificados.

1

4. Ley General de Acción de Masas (GMA) y balances de materia. Relación entre la TSB y la GMA.

1

5. Rutas metabólicas y su regulación. De los mapas metabólicos a las ecuaciones.

1

1 Horas que el alumno necesita de estudio o preparación por cada una de las actividades propuestas. 2 Horas de trabajo del alumno por crédito ECTS.

6. Estimación de parámetros bioquímicos y cinéticos.

1

7. Estudio dinámico y en el estado estacionario de rutas metabólicas: optimización del bioproceso.

1

8. Teoría de análisis de flujos metabólicos. Métodos de determinación de flujos.

1

9. Conceptos sobre el Control de análisis de flujos. Aplicaciones en la optimización.

1

10. Análisis de sensibilidad: Viabilidad del modelo establecido.

1

11. Caso de estudio: el metabolismo central de E. coli.

1

12. Caso de estudio: el metabolismo secundario de E. coli.

1

13. Perspectivas futuras de los bioprocesos realizados por células: Papel del flujo de información genoma-transcriptoma-proteoma-metaboloma-enviroma

0,5

TOTALES Prácticas de laboratorio: --- horas – ---sesiones de ---horas. S1: 1ª semana, S2: 2ª semana, … 8- Evaluación

La evaluación de las competencias se realizará de forma proporcional al tipo de actividades formativas programadas.

Las actividades formativas de presentación de conocimientos y procedimientos y de estudio individual del estudiante, serán evaluadas mediante una prueba de preguntas cortas y problemas y de tipo test de respuestas múltiples de cada uno de los temas, así como la prueba final.

Las actividades formativas en las que los estudiantes realicen un trabajo bibliográfico de carácter grupal o individual serán evaluadas a partir de las competencias establecidas para la materia.

Las prácticas de laboratorio serán controladas mediante evaluación continua

del trabajo realizado en el curso de cada una de las prácticas programadas y la evaluación de los resultados prácticos conseguidos en la ejecución de las mismas.

Los resultados obtenidos por el estudiante se calificarán, de acuerdo con lo establecido en el artículo 5 del Real Decreto 1125/2003, con la escala numérica de 0 a 10 (con un decimal cuando proceda) y se le podrá añadir la calificación cualitativa: 0-4,9 = suspenso; 5-6,9 = aprobado; 7-8,9 = notable; 9-10 = sobresaliente.

9- Bibliografía recomendada

- E. O. Voit. Computational Analisys of Biochemical Systems. A Practical Guide for Biochemists and Molecular Biologists. Cambridge University Press. Cambridge CB2 2RU, UK. 2000.

- G.N. Stephanopoulos, A.A. Aristidou y J. Nielsen. Metabolic Engineering. Principles and Metodologies. Academic Press, New York. 1998.

- J.M.S. Cabral, D. Best, L. Boross y J. Tramper (Eds.). Applied Biocatalysis. Harwood Academic Publishers, Chur, Switzerland, 1994.

- A.J.J. Straathof y P. Adlercreutz (Eds.). Applied Biocatalysis, 2nd Edition Harwood Academic Publishers, Amsterdam, 2000.