{"id":10495,"date":"2026-04-09T13:02:41","date_gmt":"2026-04-09T13:02:41","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/sara-benito-vaquerizo\/"},"modified":"2026-04-23T07:27:29","modified_gmt":"2026-04-23T07:27:29","slug":"sara-benito-vaquerizo","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/sara-benito-vaquerizo\/","title":{"rendered":"Sara Benito Vaquerizo"},"content":{"rendered":"","protected":false},"excerpt":{"rendered":"","protected":false},"author":8,"featured_media":12644,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-10495","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","has-post-thumbnail","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"naam_van_het_proefschift":"Model-driven design of synthetic microbial communities for the upcycling of One-Carbon feedstocks","samenvatting":"Er is geen Nederlandse samenvatting beschikbaar. De Engelse samenvatting vind je <a href=\"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/sara-benito-vaquerizo\/\">hier<\/a>.","summary":"Human-induced climate change caused by the emission of contaminant gases has led to a global crisis affecting society and nature all over the world. Therefore, we urgently need solutions to mitigate these emissions and their effects. This requires a radical change on the way we manage our resources, produce and use our products, and treat our wastes. Gasification of biomass and waste into syngas and further microbial conversion of syngas or industrial off-gas to valuable chemicals is envisioned as a promising strategy. In this thesis, using metabolic modeling, I work on a circular approach to produce medium-chain fatty-acids (MCFAs) and alcohols from the upcycling of biomass-derived C1 feedstocks through synthetic microbial communities.\n\nSynthetic microbial communities can expand the range of products obtained by pure cultures on syngas to molecules of longer and different chain lengths. Here, I have constructed metabolic models of single species and of communities to assess the feasibility and potential of these microbial communities for the production of even- and odd-chain fatty acids and alcohols from C1 gases. For that, I have used a battery of computational methods such as Flux balance analysis (FBA), Flux Sampling, community modeling (with FBA, Flux Sampling), model-reconstruction tools, and experimental data from continuous and non-continuous environments.\n\nIn chapter 2, we compared the energetic efficiency of the conversion of several C1 feedstocks by several pathways in both, aerobic and anaerobic conditions, being the latter the most efficiency way. Following these observations, we focused on the anaerobic conversion of C1 feedstocks and, in particular, of C1 gases. Acetogens are anaerobic microorganisms that can grow on C1 gases as the sole carbon and energy source. However, their energetic barriers limit their products to small molecules; mainly acetate and ethanol. Thus, the co-cultivation of an acetogen with a microorganism capable of chain elongation, which can grow on the products of acetogenic metabolism, extends the range of products of gas fermentation.\n\nIn chapter 3, chapter 4 and chapter 5, a modular approach was followed to establish microbial communities targeting molecules of different chain lengths (even-\/odd-chain fatty acids) by the replacement or addition of microbes to the community. In chapter 3, using community modeling, I first modeled a previously established co-culture of the acetogen Clostridium autoethanogenum and the chain-elongator Clostridium kluyveri producing even-chain MCFAs from CO\/syngas. In this study I used metabolic modeling to find possible strategies to increase the production of MCFA, and lower the accumulation of acetate. Several genetic interventions for increasing ethanol production in detriment of acetate production by C. autoethanogenum could potentially increase the production of MCFA. Yet, the co-culture presented some limitations, such as the difference in optimal pH between community members, which limited the chain elongation activity in C. kluyveri and, thus, the production of the target products. A solution to this was the replacement of C. autoethanogenum by an acetogen whose optimal pH was similar to the one of the chain-elongating species. For this, we chose Acetobacterium wieringae strain JM, an isolate from our own culture collection. Thus, upon construction of the model of A. wieringae JM, I modeled the co-culture of A. wieringae JM and C. kluyveri to study the feasibility of such co-culture, and its potential to produce even-chain MCFAs (chapter 5).\n\nThe next target was the production of odd-chain fatty-acids from syngas. The combination of the construction of the model of Anaerotignum neopropionicum and the experimental observations in chapter 4, led to the identification of key metabolic features and increased understanding of this microbe. A. neopropionicum was shown to produce propionate from ethanol and ethanol\/acetate in the presence of CO through the acrylate pathway, the mechanism of which was clarified here. Thus, we hypothesized that the addition of A. neopropionicum to the previous co-culture of A. wieringae JM and C. kluyveri would potentially shift the product range from even- to odd-chain MCFAs due the presence of propionate. To assess the feasibility of this tri-culture, we used community modeling (chapter 5). Model predictions suggested the feasibility of the tri-culture and the partial shift of products from even- to odd-chain MCFAs (chapter 5). Furthermore, the model predicted that CO\/H2 ratios < 1 could increase ethanol production, in favour of MCFAs.\n\nIn chapter 6, I used a model-driven approach for the establishment of a co-culture of C. autoethanogenum and the solventogen Clostridium beijerinckii producing MCFAs from CO2 and H2. Here, I assessed the growth capabilities of two solventogenic species by using metabolic modeling to find a carbon source that could lead to growth together with acetate, since this is the main product produced by C. autoethanogenum. Model predictions suggested lactate as additional carbon source. Subsequent growth experiments with lactate and acetate as co-substrates led to growth of C. beijerinckii producing butyrate and traces of butanol. I then used community modeling to assess the feasibility of the co-culture, which was later established in fed-batch bioreactors. Furthermore, isobutyrate was a newly identified product in this co-culture.\n\nAcknowledging the disparity in scope and capabilities of community modeling tools, I concluded the primary work of my thesis by reviewing and assessing the state of art of said tools (chapter 7). Together with my co-authors, I qualitatively evaluated twenty-four tools, and quantitatively tried fourteen of them and assessed their capability to predict case studies of microbial communities of two species. Finally, we identified the strengths, challenges and limitations of these tools and gave a wide range of recommendations for future development of the field. In the general discussion (chapter 8), I discussed the challenges and limitations of using microbial communities for the upcycling of C1 feedstocks, both from the laboratory and computational perspectives. Furthermore, I discussed the future perspectives of this technology and I suggested strategies to overcome their limitations.\n\nResumen\n\nEl cambio clim\u00e1tico, causado por la emisi\u00f3n de gases contaminantes debido a la actividad humana, ha provocado una crisis global que afecta tanto a la sociedad como a la naturaleza a nivel mundial. Por tanto, es necesario encontrar soluciones urgentes para mitigar las emisiones y minimizar sus efectos. En definitiva, se requiere un cambio radical en nuestra forma de gestionar nuestros recursos, utilizar y producir productos, as\u00ed como en el tratamiento de nuestros desechos. La gasificaci\u00f3n de biomasa y residuos en gas de s\u00edntesis (syngas), seguida de la conversi\u00f3n microbiana del syngas o de gases industriales en productos qu\u00edmicos valiosos, es una estrategia prometedora. En esta tesis, utilizamos modelos metab\u00f3licos de comunidades microbianas sint\u00e9ticas para estudiar la producci\u00f3n de \u00e1cidos grasos de cadena media y alcoholes a partir de la conversi\u00f3n de gases de un carbono.\n\nLa conversi\u00f3n de syngas mediante el uso de comunidades microbianas sint\u00e9ticas puede ampliar la gama de productos obtenidos por cultivos de una sola especie. Un ejemplo es la producci\u00f3n de \u00e1cidos grasos con cadenas m\u00e1s largas. En este proyecto, he construido modelos metab\u00f3licos de especies individuales y de comunidades para evaluar la viabilidad y el potencial de dichas comunidades para producir \u00e1cidos grasos y alcoholes de cadena par e impar a partir de gases de un carbono (CO, CO2). Para ello, he utilizado una serie de m\u00e9todos computacionales como Flux Balance Analysis (FBA), Flux Sampling, community modeling (con FBA y Flux Sampling), herramientas de construcci\u00f3n de modelos y datos experimentales de operaciones en continuo y discontinuo.\n\nEn el cap\u00edtulo 2, comparamos la eficiencia energ\u00e9tica de la conversi\u00f3n de varias materias primas de un carbono a trav\u00e9s de varias rutas metab\u00f3licas tanto en condiciones aer\u00f3bicas como anaer\u00f3bicas, siendo esta \u00faltima la forma m\u00e1s eficiente. Siguiendo estas observaciones, nos enfocamos en la conversi\u00f3n anaer\u00f3bica de compuestos de un carbono y, en particular, de gases como el CO y CO2. Los acet\u00f3genos son microorganismos anaer\u00f3bicos que pueden crecer utilizando gases de un carbono como \u00fanica fuente de carbono y energ\u00eda. Sin embargo, sus limitaciones energ\u00e9ticas reducen sus posibles productos a mol\u00e9culas peque\u00f1as, principalmente acetato y etanol. Por lo tanto, el co-cultivo de un acet\u00f3geno con un microorganismo capaz de crecer utilizando los productos generados por este microorganismo, puede ampliar la gama de productos en la fermentaci\u00f3n de gases de un carbono.\n\nEn los cap\u00edtulos 3, 4 y 5, seguimos un enfoque modular para establecer comunidades microbianas dirigidas a producir mol\u00e9culas de diferentes longitudes de cadena (\u00e1cidos grasos de cadena par\/impar) mediante la sustituci\u00f3n o adici\u00f3n de microorganismos a la comunidad. En el cap\u00edtulo 3, model\u00e9 una comunidad establecida previamente del acet\u00f3geno Clostridium autoethanogenum y el alargador de cadena Clostridium kluyveri que produce \u00e1cidos grasos de cadena par a partir de CO\/syngas. En este estudio, utilic\u00e9 el modelado metab\u00f3lico para encontrar posibles estrategias para aumentar la producci\u00f3n de \u00e1cidos grasos de cadena par y reducir la acumulaci\u00f3n de acetato. Observamos que varias intervenciones gen\u00e9ticas para aumentar la producci\u00f3n de etanol en detrimento de la producci\u00f3n de acetato por parte de C. autoethanogenum podr\u00edan aumentar potencialmente la producci\u00f3n de \u00e1cidos grasos en la comunidad. Sin embargo, la comunidad presentaba algunas limitaciones como la diferencia de pH \u00f3ptimo entre los miembros de la comunidad, lo cual limitaba la actividad de alargamiento de cadena en C. kluyveri y, por lo tanto, la producci\u00f3n de \u00e1cidos grasos. Una soluci\u00f3n fue la sustituci\u00f3n de C. autoethanogenum por un acet\u00f3geno cuyo pH \u00f3ptimo fuera similar al de C. kluyveri. Para ello, elegimos la cepa JM de Acetobacterium wieringae de nuestra propia colecci\u00f3n de cultivos. As\u00ed, tras la construcci\u00f3n del modelo de A. wieringae JM, model\u00e9 la comunidad de A. wieringae JM y C. kluyveri para ver si la comunidad se pod\u00eda establecer y si pod\u00eda producir \u00e1cidos grasos de cadena par (cap\u00edtulo 5).\n\nEl siguiente objetivo fue la producci\u00f3n de \u00e1cidos grasos de cadena impar a partir de syngas. La combinaci\u00f3n de la construcci\u00f3n del modelo de Anaerotignum neopropionicum y las observaciones experimentales en el cap\u00edtulo 4 condujeron a la identificaci\u00f3n de caracter\u00edsticas metab\u00f3licas clave y a un mayor entendimiento de este microorganismo. Se demostr\u00f3 que A. neopropionicum produce propionato a partir de etanol y etanol\/acetato en presencia de CO a trav\u00e9s de la v\u00eda del acrilato, cuyo mecanismo se aclar\u00f3 en este trabajo. Por lo tanto, planteamos la hip\u00f3tesis de que la adici\u00f3n de A. neopropionicum a la comunidad previa de A. wieringae JM y C. kluyveri podr\u00eda potencialmente cambiar el rango de productos de \u00e1cidos grasos de cadena par, a \u00e1cidos grasos de cadena impar debido a la presencia de propionato. Para evaluar la viabilidad de la comunidad de tres especies utilizamos modelado de comunidades (cap\u00edtulo 5). Las predicciones del modelo sugirieron la viabilidad de la nueva comunidad y el cambio parcial de productos de \u00e1cidos grasos de cadena par a cadena impar (cap\u00edtulo 5). Adem\u00e1s, el modelo predijo que con ratios de CO\/H2 < 1, la producci\u00f3n de etanol podr\u00eda aumentar en favor de una mayor producci\u00f3n de \u00e1cidos grasos.\n\nEn el cap\u00edtulo 6, el uso de modelos ayud\u00f3 a establecer una comunidad compuesta por C. autoethanogenum y el solvent\u00f3geno Clostridium beijerinckii para producir \u00e1cidos grasos a partir de CO2\/H2. Se evaluaron las capacidades de crecimiento de dos especies solventog\u00e9nicas utilizando modelado metab\u00f3lico para encontrar una fuente de carbono que permitiera al solvent\u00f3geno crecer con acetato, ya que este es el principal producto producido por C. autoethanogenum. Las predicciones del modelo sugirieron el lactato como fuente adicional de carbono al acetato, lo cual se confirm\u00f3 experimentalmente en C. beijerinckii junto con la producci\u00f3n de butirato y trazas de butanol. A continuaci\u00f3n, se construy\u00f3 un modelo de la comunidad de C. autoethanogenum y C. beijerinckii para estudiar la viabilidad de la comunidad y posteriormente, se estableci\u00f3 en biorreactores operados como batch. El crecimiento de la nueva comunidad en CO2\/H2 y lactato condujo a la producci\u00f3n de butirato e isobutirato, un producto que no se hab\u00eda observado previamente en ninguna de las especies de la comunidad.\n\nEl alcance y capacidades de las herramientas de modelado de comunidades es muy diverso, por lo tanto, esta trabajo de tesis concluy\u00f3 con la evaluaci\u00f3n del estado actual de dichas herramientas (cap\u00edtulo 7). Junto con otros autores, evaluamos veinticuatro herramientas de forma cualitativa y catorce herramientas de forma cuantitativa comparando las predicciones de las herramientas con resultados de estudios experimentales de comunidades microbianas de dos especies. Finalmente, identificamos las fortalezas, desaf\u00edos y limitaciones de estas herramientas y propusimos una amplia gama de recomendaciones para el futuro desarrollo de este campo.\n\nEn la discusi\u00f3n general (cap\u00edtulo 8), se han analizado los desaf\u00edos y las limitaciones de utilizar comunidades microbianas para la conversi\u00f3n de materias primas de un carbono, tanto desde la perspectiva de laboratorio como computacional. Adem\u00e1s, se han evaluado las perspectivas futuras de esta tecnolog\u00eda sugiriendo estrategias para superar dichas limitaciones.","auteur":"Sara Benito Vaquerizo","auteur_slug":"sara-benito-vaquerizo","publicatiedatum":"23 juni 2023","taal":"EN","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/sarabenitovaquerizo?iframe=true","url_download_pdf":"","url_epub":"","ordernummer":"FTP-202604091259","isbn":"978-94-6447-700-9","doi_nummer":"","naam_universiteit":"Wageningen University","afbeeldingen":12644,"naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"Wageningen University","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/10495","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/8"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=10495"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/10495\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":10496,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/10495\/revisions\/10496"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/12644"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=10495"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=10495"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}