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Previous issue date: 2015-08-27 === Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) === Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) === The genus Salmonella spp. has been extensively investigated because these
bacteria are important pathogens that frequently cause severe diseases and gastrointestinal
infections in humans and animals. Moreover, in recent years, Salmonella has called attention
due to the excellent results in the production and in vivo delivery of various substances with
potential application in Vaccinology. However, there is still little information available
concerning aspects of its metabolism, which hampers both the development of new attenuated
strains and the large-scale production of live cells and cellular components. Thus, this work
aimed to study the S. typhimurium LT2 metabolism, using traditional and innovative
approaches to investigate different carbon sources as well as different bioreactor operation
modes and aeration conditions (aerobic and anaerobic). Results obtained in batch and chemostat
cultivations indicated that S. typhimurium metabolism differs significantly from E. coli
metabolism, closely related bacteria species with regard to the central carbon metabolism. The
main difference observed between these bacteria was the high level of acetate production
exhibited by S. typhimurium LT2 cells, which, differently from E. coli, occurred even at the
lowest dilution rate evaluated. Currently, genome scale metabolic models are important tools
for better understanding the phenotypic behavior of many organisms. Therefore the model
STM_v1.0 reconstructed for S. typhimurium LT2 was evaluated, comparing experimental data,
obtained in chemostat cultivations, with model predictions. Since this model was derived from
E. coli model, the simulated results for biomass formation were overestimated and,
consequently, predicted acetate fluxes were lower than those obtained experimentally.
Therefore, to obtain experimental data useful to improve the model and to reach a better
comprehension of S. typhimurium metabolism, the technique of metabolic flux analysis using
isotopic labeled substrate was adopted, allowing determination of the fluxes for the main
pathways of central carbon metabolism of Salmonella. This analysis revealed different
preferred metabolic pathways depending on the specific growth rate. At the lowest dilution rate
evaluated, D = 0.24 h-1, glucose was catabolized predominantly by the pentose phosphate and
glycolysis pathways, while at the dilution rate of 0.48 h-1, the major pathway of glucose
oxidation was Entner-Doudoroff. In addition, a relatively high flux through the citric acid cycle
at the higher dilution rate studied was observed. === Bactérias do gênero Salmonella spp. são extensivamente estudadas por serem
importantes patógenos, causando frequentemente graves doenças e infecções gastrointestinais
em humanos e animais. Além disso, nos últimos anos, estas bactérias vêm ganhando um
destaque ainda maior na área da biotecnologia por apresentarem ótimos resultados na produção
e veiculação in vivo de diversas substâncias com fins vacinais. No entanto, ainda há poucas
informações a respeito de seu metabolismo, dificultando tanto o desenvolvimento de novas
linhagens atenuadas, como também a produção em larga escala de células vivas e de
componentes celulares. Neste sentido, este trabalho se propôs a estudar o metabolismo de S.
typhimurium LT2, utilizando inicialmente abordagens tradicionais para investigar seu
comportamento na presença de diferentes fontes de carbono, em diferentes modos de operação
de biorreator e de aeração (aeróbias e anaeróbias). Os resultados obtidos em cultivos em
batelada e em quimiostatos evidenciaram que o metabolismo da S. typhimurium difere bastante
do metabolismo da E. coli, espécies consideradas semelhantes com relação ao metabolismo do
carbono central. A principal diferença observada entre essas duas bactérias foi a elevada
produção de acetato pelas células de S. typhimurium LT2, mesmo em baixas velocidades de
crescimento nas quais este metabólito não é produzido por diversas estirpes de E. coli.
Atualmente, modelos metabólicos em escala genômica são ferramentas importantes para que o
comportamento do fenótipo de diversos organismos sejam melhor compreendidos. Assim,
avaliou-se o modelo STM_v1.0 reconstruído para S. typhimurium LT2, comparando-se dados
obtidos experimentalmente, em quimiostatos, e os preditos pelo modelo. No entanto, como este
modelo foi baseado no modelo da E. coli, os resultados simulados para produção de biomassa
foram superestimados e, consequentemente, os fluxos de acetato foram inferiores aos obtidos
experimentalmente. Sendo assim, para se obter dados experimentais úteis para aprimorar o
modelo e para uma compreensão maior do metabolismo de S. typhimurium, utilizou-se a técnica
de análise dos fluxos metabólicos com substrato isotopicamente marcado, permitindo a
determinação dos fluxos das principais vias do metabolismo do carbono central da bactéria em
estudo. Essa análise revelou diferenças na utilização das vias metabólicas em função da
velocidade específica de crescimento, sendo que na menor taxa de diluição avaliada, D = 0,24
h-1, a glicose foi predominantemente catabolizada pelas vias pentose fosfato e glicólise, enquanto na taxa de diluição de 0,48 h-1, a via principal de oxidação da glicose foi a Entner-
Doudoroff. Além disso, também observou-se um fluxo relativamente maior na via do ciclo do
ácido cítrico na maior taxa de diluição estudada.
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