Modeling the effect of daytime duration on the biosynthesis of terpenoid precursors
Los terpenoides son sustancias químicas valiosas en las industrias farmacéutica, biotecnológica, cosmética y biomédica. Su biosíntesis se basa en la polimerización de monómeros de isopentenil difosfato (IPP) y/o dimetilalil difosfato (DMAPP), que las plantas sintetizan mediante la vía citosólica del...
| Autores principales: | , , , , , , , |
|---|---|
| Formato: | Artículo |
| Lenguaje: | Inglés |
| Publicado: |
Frontiers Media
2025
|
| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/20.500.12123/22264 https://www.frontiersin.org/journals/plant-science/articles/10.3389/fpls.2024.1465030/full https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1465030 |
| _version_ | 1855486901896609792 |
|---|---|
| author | Basallo, Oriol Lucido, Abel Sorribas, Albert Marin-Sanguino, Alberto Vilaprinyo, Ester Martinez, Emilce Soledad Eleiwa, Abderrahmane Alves, Rui |
| author_browse | Alves, Rui Basallo, Oriol Eleiwa, Abderrahmane Lucido, Abel Marin-Sanguino, Alberto Martinez, Emilce Soledad Sorribas, Albert Vilaprinyo, Ester |
| author_facet | Basallo, Oriol Lucido, Abel Sorribas, Albert Marin-Sanguino, Alberto Vilaprinyo, Ester Martinez, Emilce Soledad Eleiwa, Abderrahmane Alves, Rui |
| author_sort | Basallo, Oriol |
| collection | INTA Digital |
| description | Los terpenoides son sustancias químicas valiosas en las industrias farmacéutica, biotecnológica, cosmética y biomédica. Su biosíntesis se basa en la polimerización de monómeros de isopentenil difosfato (IPP) y/o dimetilalil difosfato (DMAPP), que las plantas sintetizan mediante la vía citosólica del ácido mevalónico (MVA) y la vía plastídica del metileritritol-4-fosfato (MEP). La regulación circadiana afecta la actividad de las vías MVA y MEP en tres niveles: disponibilidad de sustrato, expresión génica de las enzimas de la vía y utilización de IPP y DMAPP para sintetizar terpenoides complejos. Existe una brecha en la comprensión de la interacción entre el ritmo circadiano y la dinámica y regulación de ambas vías. En este artículo, creamos un modelo matemático de las vías MVA y MEP en plantas que incorpora los efectos de los ritmos circadianos. Posteriormente, utilizamos el modelo para investigar cómo las variaciones anuales y latitudinales en el ritmo circadiano afectan la biosíntesis de IPP y DMAPP. Descubrimos que, a pesar de las fluctuaciones significativas en las horas de luz, la amplitud de las oscilaciones en las concentraciones de IPP y DMAPP se mantiene estable, lo que destaca la robustez del sistema. También examinamos el impacto de la eliminación de la regulación circadiana de diferentes partes del modelo en su comportamiento dinámico. Descubrimos que la regulación de la disponibilidad de sustrato de la vía por sí sola resulta en una mayor sensibilidad a los cambios en la luz diurna, mientras que la regulación de la expresión génica por sí sola conduce a oscilaciones de concentración de IPP/DMAPP menos robustas. Nuestros resultados sugieren que la regulación circadiana combinada de la disponibilidad de sustrato, la expresión génica y la utilización del producto, junto con los bucles reguladores específicos de MVA y MEP, crean un régimen operativo óptimo. Este régimen mantiene el flujo de la vía estrechamente acoplado a la demanda y estable a lo largo de un amplio rango de horas de luz, equilibrando el comportamiento dinámico de las vías y asegurando la robustez en respuesta a la demanda celular de IPP/DMAPP. |
| format | Artículo |
| id | INTA22264 |
| institution | Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA -Argentina) |
| language | Inglés |
| publishDate | 2025 |
| publishDateRange | 2025 |
| publishDateSort | 2025 |
| publisher | Frontiers Media |
| publisherStr | Frontiers Media |
| record_format | dspace |
| spelling | INTA222642025-05-14T09:53:52Z Modeling the effect of daytime duration on the biosynthesis of terpenoid precursors Basallo, Oriol Lucido, Abel Sorribas, Albert Marin-Sanguino, Alberto Vilaprinyo, Ester Martinez, Emilce Soledad Eleiwa, Abderrahmane Alves, Rui Biología Sintética Biosíntesis Terpenoido Synthetic Biology Biosynthesis Terpenoids Mathematical Models Modelos Matemáticos Terpenoid Biosynthesis Circadian Regulation Systems Biology Mathematical Modeling Biological Design Principles Los terpenoides son sustancias químicas valiosas en las industrias farmacéutica, biotecnológica, cosmética y biomédica. Su biosíntesis se basa en la polimerización de monómeros de isopentenil difosfato (IPP) y/o dimetilalil difosfato (DMAPP), que las plantas sintetizan mediante la vía citosólica del ácido mevalónico (MVA) y la vía plastídica del metileritritol-4-fosfato (MEP). La regulación circadiana afecta la actividad de las vías MVA y MEP en tres niveles: disponibilidad de sustrato, expresión génica de las enzimas de la vía y utilización de IPP y DMAPP para sintetizar terpenoides complejos. Existe una brecha en la comprensión de la interacción entre el ritmo circadiano y la dinámica y regulación de ambas vías. En este artículo, creamos un modelo matemático de las vías MVA y MEP en plantas que incorpora los efectos de los ritmos circadianos. Posteriormente, utilizamos el modelo para investigar cómo las variaciones anuales y latitudinales en el ritmo circadiano afectan la biosíntesis de IPP y DMAPP. Descubrimos que, a pesar de las fluctuaciones significativas en las horas de luz, la amplitud de las oscilaciones en las concentraciones de IPP y DMAPP se mantiene estable, lo que destaca la robustez del sistema. También examinamos el impacto de la eliminación de la regulación circadiana de diferentes partes del modelo en su comportamiento dinámico. Descubrimos que la regulación de la disponibilidad de sustrato de la vía por sí sola resulta en una mayor sensibilidad a los cambios en la luz diurna, mientras que la regulación de la expresión génica por sí sola conduce a oscilaciones de concentración de IPP/DMAPP menos robustas. Nuestros resultados sugieren que la regulación circadiana combinada de la disponibilidad de sustrato, la expresión génica y la utilización del producto, junto con los bucles reguladores específicos de MVA y MEP, crean un régimen operativo óptimo. Este régimen mantiene el flujo de la vía estrechamente acoplado a la demanda y estable a lo largo de un amplio rango de horas de luz, equilibrando el comportamiento dinámico de las vías y asegurando la robustez en respuesta a la demanda celular de IPP/DMAPP. Terpenoids are valued chemicals in the pharmaceutical, biotechnological, cosmetic, and biomedical industries. Biosynthesis of these chemicals relies on polymerization of Isopentenyl di-phosphate (IPP) and/or dimethylallyl diphosphate (DMAPP) monomers, which plants synthesize using a cytosolic mevalonic acid (MVA) pathway and a plastidic methyleritritol-4-phosphate (MEP) pathway. Circadian regulation affects MVA and MEP pathway activity at three levels: substrate availability, gene expression of pathway enzymes, and utilization of IPP and DMAPP for synthesizing complex terpenoids. There is a gap in understanding the interplay between the circadian rhythm and the dynamics and regulation of the two pathways. In this paper we create a mathematical model of the MVA and MEP pathways in plants that incorporates the effects of circadian rhythms. We then used the model to investigate how annual and latitudinal variations in circadian rhythm affect IPP and DMAPP biosynthesis. We found that, despite significant fluctuations in daylight hours, the amplitude of oscillations in IPP and DMAPP concentrations remains stable, highlighting the robustness of the system. We also examined the impact of removing circadian regulation from different parts of the model on its dynamic behavior. We found that regulation of pathway substrate availability alone results in higher sensitivity to daylight changes, while gene expression regulation alone leads to less robust IPP/DMAPP concentration oscillations. Our results suggest that the combined circadian regulation of substrate availability, gene expression, and product utilization, along with MVA- and MEP-specific regulatory loops, create an optimal operating regime. This regime maintains pathway flux closely coupled to demand and stable across a wide range of daylight hours, balancing the dynamic behavior of the pathways and ensuring robustness in response to cellular demand for IPP/DMAPP. EEA Pergamino Fil: Basallo, Oriol. Universidad de Lleida. Facultad de Medicina. Departamento de Ciencias Médicas Básicas. Grupo de Biología de Sistemas; España Fil: Basallo, Oriol. Instituto de Investigación Biomédica de Lérida; España Fil: Basallo, Oriol. MathSys2Bio. Grup de Recerca Consolidat de la Generalitat de Catalunya; España Fil: Lucido, Abel. Universidad de Lleida. Facultad de Medicina. Departamento de Ciencias Médicas Básicas. Grupo de Biología de Sistemas; España Fil: Lucido, Abel. Instituto de Investigación Biomédica de Lérida; España Fil: Lucido, Abel. MathSys2Bio. Grup de Recerca Consolidat de la Generalitat de Catalunya; España Fil: Sorribas, Albert. Universidad de Lleida. Facultad de Medicina. Departamento de Ciencias Médicas Básicas. Grupo de Biología de Sistemas; España Fil: Sorribas, Albert. Instituto de Investigación Biomédica de Lérida; España Fil: Sorribas, Albert. MathSys2Bio. Grup de Recerca Consolidat de la Generalitat de Catalunya; España Fil: Marin-Sanguino, Alberto. Universidad de Lleida. Facultad de Medicina. Departamento de Ciencias Médicas Básicas. Grupo de Biología de Sistemas; España Fil: Marin-Sanguino, Alberto. Instituto de Investigación Biomédica de Lérida; España Fil: Marin-Sanguino, Alberto. MathSys2Bio. Grup de Recerca Consolidat de la Generalitat de Catalunya; España Fil: Vilaprinyo, Ester. Universidad de Lleida. Facultad de Medicina. Departamento de Ciencias Médicas Básicas. Grupo de Biología de Sistemas; España Fil: Vilaprinyo, Ester. Instituto de Investigación Biomédica de Lérida; España Fil: Vilaprinyo, Ester. MathSys2Bio. Grup de Recerca Consolidat de la Generalitat de Catalunya; España Fil: Martinez, Emilce. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Estación Experimental Agropecuaria Pergamino. Laboratorio de Semillas; Argentina Fil: Martinez, Emilce. Universidad de Lleida. Facultad de Medicina. Departamento de Ciencias Médicas Básicas. Grupo de Biología de Sistemas; España Fil: Martinez, Emilce. Instituto de Investigación Biomédica de Lérida; España Fil: Eleiwa, Abderrahmane. Universidad de Lleida. Facultad de Medicina. Departamento de Ciencias Médicas Básicas. Grupo de Biología de Sistemas; España Fil: Eleiwa, Abderrahmane. Instituto de Investigación Biomédica de Lérida; España Fil: Alves, Rui. Universidad de Lleida. Facultad de Medicina. Departamento de Ciencias Médicas Básicas. Grupo de Biología de Sistemas; España Fil: Alves, Rui. Instituto de Investigación Biomédica de Lérida; España Fil: Alves, Rui. MathSys2Bio. Grup de Recerca Consolidat de la Generalitat de Catalunya; España 2025-05-14T09:46:21Z 2025-05-14T09:46:21Z 2024-11 info:ar-repo/semantics/artículo info:eu-repo/semantics/article info:eu-repo/semantics/publishedVersion http://hdl.handle.net/20.500.12123/22264 https://www.frontiersin.org/journals/plant-science/articles/10.3389/fpls.2024.1465030/full 1664-462X (online) https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1465030 eng info:eu-repo/semantics/openAccess http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0) application/pdf Frontiers Media Frontiers in Plant Science 15 : 1465030. (November 2024) |
| spellingShingle | Biología Sintética Biosíntesis Terpenoido Synthetic Biology Biosynthesis Terpenoids Mathematical Models Modelos Matemáticos Terpenoid Biosynthesis Circadian Regulation Systems Biology Mathematical Modeling Biological Design Principles Basallo, Oriol Lucido, Abel Sorribas, Albert Marin-Sanguino, Alberto Vilaprinyo, Ester Martinez, Emilce Soledad Eleiwa, Abderrahmane Alves, Rui Modeling the effect of daytime duration on the biosynthesis of terpenoid precursors |
| title | Modeling the effect of daytime duration on the biosynthesis of terpenoid precursors |
| title_full | Modeling the effect of daytime duration on the biosynthesis of terpenoid precursors |
| title_fullStr | Modeling the effect of daytime duration on the biosynthesis of terpenoid precursors |
| title_full_unstemmed | Modeling the effect of daytime duration on the biosynthesis of terpenoid precursors |
| title_short | Modeling the effect of daytime duration on the biosynthesis of terpenoid precursors |
| title_sort | modeling the effect of daytime duration on the biosynthesis of terpenoid precursors |
| topic | Biología Sintética Biosíntesis Terpenoido Synthetic Biology Biosynthesis Terpenoids Mathematical Models Modelos Matemáticos Terpenoid Biosynthesis Circadian Regulation Systems Biology Mathematical Modeling Biological Design Principles |
| url | http://hdl.handle.net/20.500.12123/22264 https://www.frontiersin.org/journals/plant-science/articles/10.3389/fpls.2024.1465030/full https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1465030 |
| work_keys_str_mv | AT basallooriol modelingtheeffectofdaytimedurationonthebiosynthesisofterpenoidprecursors AT lucidoabel modelingtheeffectofdaytimedurationonthebiosynthesisofterpenoidprecursors AT sorribasalbert modelingtheeffectofdaytimedurationonthebiosynthesisofterpenoidprecursors AT marinsanguinoalberto modelingtheeffectofdaytimedurationonthebiosynthesisofterpenoidprecursors AT vilaprinyoester modelingtheeffectofdaytimedurationonthebiosynthesisofterpenoidprecursors AT martinezemilcesoledad modelingtheeffectofdaytimedurationonthebiosynthesisofterpenoidprecursors AT eleiwaabderrahmane modelingtheeffectofdaytimedurationonthebiosynthesisofterpenoidprecursors AT alvesrui modelingtheeffectofdaytimedurationonthebiosynthesisofterpenoidprecursors |