Project

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Microbial Production of Advanced Biofuels: Linking Synthetic Biology to Metabolic Engineering of Biosynthetic Pathways

English title Microbial Production of Advanced Biofuels: Linking Synthetic Biology to Metabolic Engineering of Biosynthetic Pathways
Applicant Brunk Elizabeth Claire
Number 148961
Funding scheme Early Postdoc.Mobility
Research institution University of California Lawrence Berkeley National Lab.
Institution of higher education Institution abroad - IACH
Main discipline Chemical Engineering
Start/End 01.11.2013 - 30.04.2015
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All Disciplines (3)

Discipline
Chemical Engineering
Molecular Biology
Biochemistry

Keywords (10)

Bisabolane; Systems Biology; Terpene Synthesis; Metabolic Engineering; Biofuel Biosynthesis; Biosynthetic Pathways; Monte Carlo Sampling; Microbial Communities; Synthetic Biology; Flux Balance Analysis

Lay Summary (French)

Lead
La combinaison de deux approches complémentaires, l’ingénierie métabolique et la biologie synthétique, permet d’explorer la création de micro-organismes utilisés pour la production de composés chimiques. Nous utiliserons l’ingénierie métabolique afin d’optimiser la plateforme de production d’un bio-carburant crée a l’aide de microbes. Cette plateforme permet la production du bisabolene, le précurseur direct d’une alternative biosynthétique au diesel D2 bisabolane.
Lay summary
Les plateformes de production assistées par les microbes sont basées sur des réactions naturelles, permettant de résoudre les problèmes de génération d’énergie au niveau moléculaire, de façon plus économique et efficace en comparaison des méthodes traditionnelles. Le but de ce projet est d’utiliser la richesse unique du groupe Joint BioEnergy Institute (JBEI) afin de combiner deux approches complémentaires: l’ingénierie métabolique et la biologie synthétique. Cette combinaison permet la création de micro-organismes utilisés pour la production de composés chimiques. Nous utiliserons l’ingénierie métabolique afin d’optimiser la plateforme de production d’un bio-carburant crée a l’aide de microbes. Cette plateforme permet la production du bisabolene, le précurseur immédiat d’une nouvelle alternative biosynthétique au diesel D2 bisabolane. Nous utiliserons les méthodes développées dans ce projet afin d’évaluer les effets des techniques de biologie synthétiques sur les métabolismes des hôtes et pour prédire les changements nécessaires à l’amélioration de la production de grandes quantités de bisabolene biosynthétique en vue de la production de masse. Au niveau fondamental, ce projet a pour but le développement de méthodes d’ingénierie métaboliques computationnelles avec une approche d’échantillonnage de Monte Carlo pour prédire la réponse systémique à grande échelle de modèles génomiques uniques ainsi que la réponse des modèles multi génomiques de communautés microbiennes. Nous utiliserons une approche de modélisation multi-échelle afin d’étendre les modèles de réseaux métaboliques existants. Le but étant de permettre aux flux d’être contraints pour la modélisation à l’échelle génomique, en utilisant les données d’expérience de marquage 13C.
Direct link to Lay Summary Last update: 02.06.2013

Responsible applicant and co-applicants

Publications

Publication
A streamlined ribosome profiling protocol for the characterization of organisms
Latif H., Szubin R., Tan J., Brunk E., Lechner A., Zengler K., Palsson B.O., A streamlined ribosome profiling protocol for the characterization of organisms, in Biotechniques, N/A.
Lessons from Nature: Computational Design of Biomimetic Compounds and Processes
Bozkurt E, Ashari N, Browning N, Brunk E, Campomanes P, Perez MAS, Rothlisberger U., Lessons from Nature: Computational Design of Biomimetic Compounds and Processes, in Chimia, 68, 642.
Mixed Quantum Mechanical/Molecular Mechanical Molecular Dynamics Simulations of Biological Systems in Ground and Electronically Excited States
Brunk E., Rothlisberger U., Mixed Quantum Mechanical/Molecular Mechanical Molecular Dynamics Simulations of Biological Systems in Ground and Electronically Excited States, in Chemical Reviews, N/A.
Model-driven discovery of underground metabolic functions in Escherichia coli
Guzman G, Utrilla J, Nurk S, Brunk E, Monk JM, Ebrahim A, Palsson B, Feist AM., Model-driven discovery of underground metabolic functions in Escherichia coli, in Proceedings of National Academy of Sciences, 112(3), 929-934.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Systems Biology Research Group, UCSD United States of America (North America)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Constraint-based Reconstruction and Analysis Conference Poster Characterization of Heterologous Pathways for Advanced Biofuel Production 20.05.2014 Virginia, United States of America Brunk Elizabeth Claire;


Self-organised

Title Date Place
Collaborative meeting and lecture to describe computational systems biology applications in metabolic engineering 06.03.2015 Joint BioEnergy Institute, United States of America

Abstract

Recent developments in the genomic era has led to the development of metabolic engineering, which has a great potential to become an enabling strategy for the microbial production of biofuels. Microbe-mediated production platforms are based on natural processes to facilitate energy solutions on the molecular level that are elegantly safer, more economical and highly ef?cacious when compared to conventional methods. The ambition of this project is to use the unique richness of the Joint BioEnergy Institute (JBEI) cluster to combine two synergistic approaches, metabolic engineering and synthetic biology, namely to explore the logic that connects the emergence of biosynthetic pathways in engineered microorganisms to produce desired chemicals. We will use metabolic engineering to optimize a recently reported microbial-based biofuel production platform for the over-production of bisabolene, the immediate precursor to a novel biosynthetic alternative to D2 diesel fuel, bisabolane. We will use the methods developed in this project to gauge the effect of synthetic biology techniques on the metabolism of the hosts and predict changes to improve production of large quantities of biosynthetic bisabolene for mass production. On a fundamental level, this project aims to leverage computational metabolic engineering methods with a Monte Carlo sampling approach to predict large-scale systemic responses in engineered single-genome scale models as well as in multi-genome scale models of microbial communities. We will use multi-scale modeling approach to expand the existing metabolic network models to study different parts of metabolism at different levels of resolution, or scales, and allow ?uxes to be constrained for genome scale modeling using 13C labeling experiments data.
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