Team:Braunschweig/Modeling-content
From 2014.igem.org
Modeling Approach
Due to the increasing consume of Beef and dairy products cattle are nowadays a major contributor to the emission of greenhouse gases, thus vastly affecting global warming. In this year’s project the iGEM Team Braunschweig is aiming at reducing the cows’ share of the cake by designing a methane degrading bacterium – E. cowli.
However, due to safety and ethical concerns it is not easily manageable to test our system in vivo. Nonetheless, the effects of E. cowli on methane emissions by cattle need to be evaluated. Therefore we created a mathematical model simulation based on data experimentally obtained in this project and previously published literature. The model was used to evaluate eventual costs and a theoretical scale-up of the system.
Mathematical Model
In this year’s iGEM project our objective is to decrease the amount of methane produced through enteric fermentation inside the cows’ rumen without affecting the internal microbiota. Produced methane is subsequently released from the digestive tract through the mouth by eructation or burping. To inhibit the emission, thus reducing the atmospheric methane levels, we established a methane degrading bacterium – E. cowli
Our mathematical model, based on laboratory and literature data, provides an overview of the efficiency and impact of our system.
E. cowli is capable of utilizing methane for the production of methanol. Methanol is subsequently excreted and metabolized by other organisms of the cows’ microbiota [1]. To degrade methane E. cowli uses the well-characterized enzyme complex soluble methane monooxygenase (sMMO) from M. capsulatus catalyzing the conversion of methane to methanol with simultaneous consumption of oxygen and the cofactor NADH+H+ (see eq. 1 and eq. 2).
According to literature data the reaction kinetics can be described using Michaelis-Menten kinetics [2]. Kinetic parameters varied from 3 to 23 µM for the Michaelis-Menten constant (KM), thus the most confident values shown in table 1 were selected for modeling.
Code
Our mathematical model was generated using Matlab.
% iGEM 2014 Team TU Braunschweig
% Mathematical model for the degradation of methane to methanol through a methane
% monooxygenase.
% Reaction: Me + NADH + H+ + O2 = MeOH + NAD+ + H2O
% Global declarations allow parameters to be shared between functions
global p;
p.KM_Me=0.000023;
p.k1_18=2*10^8; %in 1/(M*s)
p.k_1_18=100; %in 1/s
p.k2_18=6;%in 1/s
%Set initial conditions in form of a vector
Me_C0=1.24; %bei 2% im Top
Me_M0=0.825;
MeOH_C0=0;
Me_P0=11.13;
p.MMO_EC0=1.09*10^-9; %E.coli
%Calculation of MMO_MC0 via experimental Data
%Calculation of k(37C) for Cultivation at 37°C
%Arrhenius equation k(T)=A*e^(-E/(R*T) with d(E/A)/dT = c.
p.R = 8.3144621; %in J/mol/K
p.T_18 = 273.15+18;
p.T_42 = 273.15+42;
p.E1_cat=58000; %J/mol
p.E2_cat=35000; %J/mol
p.T_37= 273.15+37;
p.T_40= 273.15+40;
T=250.15:1:317.15;
k_1_T=p.k_1_18*exp(((35000)./(p.R))*((1./p.T_18)-(1./T)));
p.k_1_37=p.k_1_18*exp(((35000)./(p.R))*((1./p.T_18)-(1./p.T_37)))
p.k_1_40=p.k_1_18*exp(((35000)./(p.R))*((1./p.T_18)-(1./p.T_40)))
p.k_1_42=p.k_1_18*exp(((35000)./(p.R))*((1./p.T_18)-(1./p.T_42)))
k1_T=p.k1_18*exp(((p.E1_cat)./(p.R))*((1./p.T_18)-(1./T)));
p.k1_37=p.k1_18*exp(((p.E1_cat)./(p.R))*((1./p.T_18)-(1./p.T_37)))
p.k1_40=p.k1_18*exp(((p.E1_cat)./(p.R))*((1./p.T_18)-(1./p.T_40)))
p.k1_42=p.k1_18*exp(((p.E1_cat)./(p.R))*((1./p.T_18)-(1./p.T_42)))
k2_T=p.k2_18*exp(((p.E2_cat)./(p.R))*((1./p.T_18)-(1./T)));
p.k2_37=p.k2_18*exp(((p.E2_cat)./(p.R))*((1./p.T_18)-(1./p.T_37)))
p.k2_40=p.k2_18*exp(((p.E2_cat)./(p.R))*((1./p.T_18)-(1./p.T_40)))
p.k2_42=p.k2_18*exp(((p.E2_cat)./(p.R))*((1./p.T_18)-(1./p.T_42)))
p.KM_Me37=(p.k_1_37+p.k2_37)/p.k1_37;
p.KM_Me42=(p.k_1_42+p.k2_42)/p.k1_42;
p.KM_Me40=(p.k_1_40+p.k2_40)/p.k1_40;
%Plot different k-values dependent on
figure(1);
[x,p1,p2]=plotyy(T, k1_T, T, k2_T);
ylabel(x(1),'k1(T)[1/M/s]') % label left y-axis
ylabel(x(2),'k2(T)[1/s]') % label right y-axis
xlabel(x(1),'Temperature [K]')
%
%MEASURED DATA
%E. Cowli
p.tEx_EC = [0; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; 1100; 1200; 1300; 1400; 1500; 1600; 1700; 1800; 1900; 2000; 2100; 2200; 2300; 2400; 2500; 2600; 2700; 2800; 2900;3000;3100;3200;3300;3400;3500; 3600; 3700; 3800; 3900; 4000; 4100; 4200; 4300; 4400; 4500; 4600; 4700; 4800; 4900; 5000; 5100; 5200; 5300; 5400; 5500; 5600; 5700; 5800; 5900; 6000; 6100; 6200; 6300; 6400; 6500;6600;6700;6800;6900;7000;7100; 7200; 7300; 7400; 7500; 7600; 7700; 7800; 7900; 8000; 8100; 8200; 8300; 8400; 8500; 8600; 8700; 8800; 8900; 9000;9100; 9200; 9300; 9400; 9500];
MeExM_EC = [0.825; 0.795632545; 0.793474824; 0.782225833; 0.784376787; 0.770751268; 0.730694383; 0.729640493; 0.729235836; 0.718193426; 0.707000207; 0.702406813; 0.6908 10151; 0.690383679; 0.684429518; 0.659256071; 0.64522064; 0.632314796; 0.614306098; 0.607646322;0 .599102952; 0.590423377 ;0.579027444; 0.577809251; 0.564062319; 0.554151343; 0.54752558; 0.536933 944; 0.532959325; 0.514379787; 0.503248502; 0.498801113; 0.47858969; 0.473779349; 0.470641754;0.4 69352437; 0.466728233; 0.45694538; 0.442433588; 0.435535653; 0.419629816; 0.42445577; 0.428748918; 0.430909728; 0.421847842; 0.416606196; 0.400521633; 0.394233787; 0.386409773; 0.381086091 ;0.379698152; 0.37913096; 0.375530626; 0.37539442; 0.375462221; 0.371103628; 0.367289858; 0.363603238; 0.352294254; 0.348445912;0.344053487];
%Methylococcus capsulats
p.tEx_MC = [0; 100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; 1100; 1200; 1300; 1400; 1500; 1600; 1700; 1800; 1900; 2000; 2100; 2200; 2300; 2400; 2500 ;2600; 2700; 2800; 2900; 3000; 3100; 3200; 3300; 3400;3500; 3600; 3700; 3800; 3900; 4000; 4100; 4200; 4300; 4400; 4500 ;4600 ;4700 ;4800; 4900; 5000; 5100; 5200; 5300; 5400; 5500; 5600; 5700; 5800; 5900; 6000];
MeExM_MC = [0.825; 0.816911765;0.812058824; 0.812058824; 0.810441176;0.810441176; 0.805588235; 0.805588235; 0.795882353; 0.795882353; 0.794264706;0.791029412; 0.791029412; 0.791029412;0.781323529; 0.778088235;0.776470588; 0.779705882;0.778088235; 0.774852941;0.774852941; 0.768382353;0.768382353; 0.761911765;0.75867647; 0.75867647;0.753823529; 0.747352941;0.747352941; 0.740882353;0.740882353; 0.732794118;0.727941176; 0.727941176;0.727941176; 0.72632353;0.721470588; 0.711764706;0.710147059 ;0.706911765;0.706911765 ;0.697205882;0.703676471 ;0.693970588;0.689117647 ;0.6875;0.681029412;0.674558824; 0.672941176;0.666470588;0.663235294; 0.663235294;0.658382353 ;0.653529412; 0.651911765;0.650294118;0.64382353; 0.640588235; 0.635735294; 0.6325;0.627647059];
%Beads in ruminal fluid
p.tEx_BP =[0 ; 60 ; 120 ; 180 ; 240 ; 300 ; 360 ; 420 ; 480 ; 540 ; 600 ; 660 ; 720 ; 780 ; 840 ; 900 ; 960 ; 1020 ; 1080 ; 1140 ; 1200 ; 1260 ; 1320 ; 1380 ; 1440 ; 1500 ; 1560 ; 1620 ; 1680 ; 1740 ; 1800 ; 1860 ; 1920 ; 1980 ; 2040 ; 2100 ; 2160 ; 2220 ; 2280 ; 2340 ; 2400 ; 2460 ; 2520 ; 2580 ; 2640 ; 2700 ; 2760 ; 2820 ; 2880 ; 2940 ; 3000 ; 3060 ; 3120 ; 3180 ; 3240 ; 3300 ; 3360 ; 3420 ; 3480 ; 3540 ; 3600 ; 3660 ; 3720 ; 3780 ; 3840 ; 3900 ; 3960 ; 4020 ; 4080 ; 4140 ; 4200 ; 4260 ; 4320 ; 4380 ; 4440 ; 4500 ; 4560 ; 4620 ; 4680 ; 4740 ; 4800 ; 4860 ; 4920 ; 4980 ; 5040 ; 5100 ; 5160 ; 5220 ; 5280 ; 5340 ; 5400 ; 5460 ; 5520 ; 5580 ; 5640 ; 5700 ; 5760 ; 5820 ; 5880 ; 5940 ; 6000 ];
a=[2 ; 1.985468064 ; 1.990537344 ; 1.977019263 ; 1.968739439 ; 1.959783711 ; 1.964515039 ; 1.965528895 ; 1.956742143 ; 1.947617438 ; 1.950152078 ; 1.942548158 ; 1.940182494 ; 1.935789118 ; 1.931395742 ; 1.922946942 ; 1.92514363 ; 1.922102062 ; 1.911456573 ; 1.906049341 ; 1.900642109 ; 1.893545117 ; 1.877154444 ; 1.8739439 ; 1.870733356 ; 1.871240284 ; 1.861946604 ; 1.857046299 ; 1.853159851 ; 1.847414667 ; 1.845724907 ; 1.839979723 ; 1.841500507 ; 1.833727611 ; 1.830010139 ; 1.825954714 ; 1.825109834 ; 1.820547482 ; 1.81767489 ; 1.815478202 ; 1.806353498 ; 1.803987834 ; 1.80415681 ; 1.794356201 ; 1.785569449 ; 1.784724569 ; 1.777120649 ; 1.773741129 ; 1.762419736 ; 1.763433592 ; 1.754815816 ; 1.747380872 ; 1.74281852 ; 1.7436634 ; 1.73605948 ; 1.727948631 ; 1.726258871 ; 1.718654951 ; 1.719668807 ; 1.714937479 ; 1.705305847 ; 1.701081446 ; 1.694491382 ; 1.691111862 ; 1.677086854 ; 1.670665765 ; 1.661203109 ; 1.649205813 ; 1.649036837 ; 1.642953701 ; 1.634842852 ; 1.630618452 ; 1.627238932 ; 1.62521122 ; 1.618790132 ; 1.613889828 ; 1.615241636 ; 1.609496452 ; 1.607299763 ; 1.596316323 ; 1.603751267 ; 1.594288611 ; 1.591247043 ; 1.588205475 ; 1.591416019 ; 1.586684691 ; 1.581446435 ; 1.579080771 ; 1.57316661 ; 1.57232173 ; 1.567590402 ; 1.56049341 ; 1.556100034 ; 1.554410274 ; 1.55035485 ; 1.540723217 ; 1.545961473 ; 1.540047313 ; 1.539371409 ; 1.531936465 ; 1.532950321 ];
MeExM_BP=((a./2)*1.24)./1.5;
%Beads in NMS media
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0.744496232 ; 0.743514478 ; 0.744496232 ; 0.741550972 ; 0.739587465 ; 0.737296708 ; 0.736314954 ; 0.737623959 ; 0.738932963 ; 0.739914716 ; 0.739260214 ; 0.735987703 ; 0.735660452 ; 0.733696946 ; 0.735660452 ; 0.73206069 ; 0.729442681 ; 0.728788179 ; 0.728133677 ; 0.73206069 ; 0.736642205 ; 0.731733439 ; 0.728133677 ; 0.727151924 ; 0.731078937 ; 0.731733439 ; 0.725515668 ; 0.725842919 ; 0.726497422 ; 0.727806426 ; 0.725188417 ; 0.723879413 ; 0.724861166 ; 0.726824673 ; 0.725188417 ; 0.724206664 ; 0.726497422 ; 0.723879413 ; 0.724206664 ; 0.724861166 ; 0.724533915 ; 0.725842919 ; 0.723552162 ; 0.723552162 ; 0.72289766 ; 0.725188417 ; 0.731078937 ; 0.730097184 ; 0.728133677 ; 0.724861166 ; 0.726824673 ; 0.726497422 ; 0.724206664 ; 0.721915906 ; 0.724533915 ; 0.723224911 ; 0.721588655 ; 0.722570409 ; 0.722570409 ; 0.721588655 ; 0.722570409 ; 0.72289766 ; 0.721261404 ; 0.723224911 ; 0.722243157 ; 0.722243157 ; 0.720934153 ; 0.722243157 ; 0.721915906 ; 0.722243157 ; 0.723224911 ; 0.72289766 ; 0.72289766 ; 0.7199524 ; 0.7199524 ; 0.721261404 ; 0.721261404 ; 0.722243157 ; 0.719297898 ; 0.7199524 ; 0.720606902 ; 0.718970647 ; 0.720934153 ; 0.721261404 ; 0.7199524 ; 0.7199524 ; 0.720279651 ; 0.721915906 ; 0.720606902 ; 0.718316144 ; 0.721588655 ; 0.719625149 ; 0.721261404 ; 0.721915906 ; 0.7199524 ; 0.721915906 ; 0.721261404 ; 0.721588655 ; 0.718970647 ; 0.718970647 ; 0.720279651 ; 0.721588655 ; 0.718316144 ; 0.720934153 ; 0.721261404 ; 0.7199524 ; 0.718970647 ; 0.717988893 ; 0.717988893 ; 0.717334391 ; 0.720279651 ; 0.719297898 ; 0.716679889 ; 0.720934153 ; 0.717334391 ; 0.717661642 ; 0.714389131 ; 0.715370885 ; 0.712098374 ; 0.7199524 ; 0.715698136 ; 0.715043633 ; 0.717661642 ; 0.713080127 ; 0.71700714 ; 0.714716382 ; 0.715043633 ; 0.717661642 ; 0.718970647 ; 0.715370885 ; 0.71700714 ; 0.715370885 ; 0.715698136 ; 0.71111662 ; 0.713080127 ; 0.710134867 ; 0.708171361 ; 0.708825863 ; 0.712752876 ; 0.71406188 ; 0.714716382 ; 0.714716382 ; 0.710462118 ; 0.711443871 ; 0.713734629 ; 0.711443871 ; 0.712752876 ; 0.708825863 ; 0.706862356 ; 0.707516858 ; 0.704571599 ; 0.704571599 ; 0.700971837 ; 0.703262594 ; 0.705880603 ; 0.702935343 ; 0.701626339 ; 0.702280841 ; 0.697372075 ; 0.698681079 ; 0.695408568 ; 0.69900833 ; 0.699335581 ; 0.697699326 ; 0.693772313 ; 0.697372075 ; 0.693772313 ; 0.696390321 ; 0.69311781 ; 0.695408568 ; 0.692790559 ; 0.69311781 ; 0.688863546 ; 0.690172551 ; 0.692790559 ; 0.693445061 ; 0.695081317 ; 0.694099564 ; 0.69606307 ; 0.690499802 ; 0.689518048 ; 0.689518048 ; 0.690172551 ; 0.692463308 ; 0.690172551 ; 0.689518048 ; 0.686572789 ; 0.685918286 ; 0.685918286 ; 0.688209044 ; 0.690499802 ; 0.691481555 ; 0.687554542 ; 0.684609282 ; 0.688863546 ; 0.688536295 ; 0.68690004 ; 0.685591035 ; 0.688209044 ; 0.688536295 ; 0.687227291 ; 0.687554542 ; 0.68690004 ; 0.687554542 ; 0.686245537 ; 0.687881793 ; 0.685263784 ; 0.686245537 ; 0.685918286 ; 0.68690004 ; 0.688209044 ; 0.685591035 ; 0.686572789 ; 0.685918286 ; 0.685591035 ; 0.685591035 ; 0.685918286 ; 0.684936533 ; 0.684936533 ; 0.682973027 ; 0.685263784 ; 0.684936533 ; 0.681336771 ; 0.683627529 ; 0.683627529 ; 0.680355018 ; 0.681991273 ; 0.682973027 ; 0.682973027 ; 0.683300278 ; 0.684282031 ; 0.681664022 ; 0.680027767 ; 0.681336771 ; 0.681664022 ; 0.681664022 ; 0.679046013 ; 0.68100952 ; 0.681336771 ; 0.67806426 ; 0.681991273 ; 0.68100952 ; 0.673482745 ; 0.673482745 ; 0.67806426 ; 0.68100952 ; 0.676428005 ; 0.676100754 ; 0.674464498 ; 0.672173741 ; 0.672828243 ; 0.674464498 ; 0.671519238 ; 0.674791749 ; 0.674464498 ; 0.670864736 ; 0.671191987 ; 0.669228481 ; 0.669228481 ; 0.664974217 ; 0.66890123 ; 0.669555732 ; 0.667592225 ; 0.664319714 ; 0.663337961 ; 0.659083697 ; 0.665301468 ; 0.667264974 ; 0.665628719 ; 0.66301071 ; 0.664646965 ; 0.663337961 ; 0.665628719 ; 0.664974217 ; 0.661701706 ; 0.661047203 ; 0.659738199 ; 0.658429195 ; 0.658756446 ; 0.661047203 ; 0.662028957 ; 0.659410948 ; 0.655483935 ; 0.659083697 ; 0.66006545 ; 0.658101944 ; 0.65712019 ; 0.659083697 ; 0.659410948 ; 0.656465688 ; 0.657447441 ; 0.658429195 ; 0.658101944 ; 0.658756446 ; 0.656792939 ; 0.656138437 ; 0.658429195 ; 0.658429195 ; 0.656465688 ; 0.656465688 ; 0.656792939 ; 0.65712019 ; 0.657774693 ; 0.656792939 ; 0.65712019 ; 0.658101944 ; 0.655483935 ; 0.655156684 ; 0.655483935 ; 0.653847679 ; 0.655811186 ; 0.656138437];
%Plot experimental Data
figure(2);
plot(p.tEx_EC(1:60)./60,MeExM_EC(1:60),'r.',p.tEx_MC./60,MeExM_MC,'b.');
xlabel('Time [min]');
ylabel('Methane[M/L]');
p.x0=5.3*10^-6;
p.MeInitial_C = [Me_M0, MeOH_C0];
hold on
[t, dMe]=ode45('methandt', p.tEx_EC(1:60), p.MeInitial_C);
plot(p.tEx_EC(1:60)./60,dMe(:,1),'r');
p.x42=1.7*10^-6;
[t, dMe]=ode45('methandt42', p.tEx_MC, p.MeInitial_C);
plot(p.tEx_MC./60,dMe(:,1),'b');
hold off
%Plot Beads Data
figure(3);
plot(p.tEx_BP./3600, MeExM_BP,'g.',p.tEx_BNMS./3600,Me_ExM_BNMS,'m.');
xlabel('Time [h]');
p.xB=2.3*10^-6;
ylabel('Methane[M/L]');
[t, dMe]=ode45('dMB', p.tEx_BP, p.MeInitial_C);
hold on
plot(p.tEx_BP./3600,dMe(:,1),'b');
hold off
%RUMEN UP-SCALE
p.MMOP=7.7*10^-6;
MeInitial_P = [Me_P0; MeOH_C0];
options=odeset('Stats','on','Reltol',0.1); %,
[t, dMe]= ode45('methandtP',0:86400, MeInitial_P,options);
Dec=dMe(:,1);
figure(4);
[Px,Py1,Py2]=plotyy(t/3600,dMe(:,1),t./3600,Dec./(88.2- Dec));
legend('Internal Methane concentration','Methane Release')
xlabel('Time [h]')
ylabel(Px(1),'Methane [M]')
ylabel(Px(2),'Concentration [mol Methane/mol air]')
%Experimental Data of Beads
figure(6);
plot(p.tEx_EC(1:60)./60,MeExM_EC(1:60),'r.',p.tEx_BP./60, MeExM_BP,'g.',p.tEx_BNMS./60,Me_ExM_BNMS,'m.');
xlabel('Time [min]');
ylabel('Methane [M]');
p =
KM_Me: 2.3000e-05
k1_18: 200000000
k_1_18: 100
k2_18: 6
MMO_EC0: 1.0900e-09
R: 8.3145
T_18: 291.1500
T_42: 315.1500
E1_cat: 58000
E2_cat: 35000
T_37: 310.1500
T_40: 313.1500
k_1_37: 242.4742
k_1_40: 276.1437
k_1_42: 300.7352
k1_37: 8.6791e+08
k1_40: 1.0766e+09
k1_42: 1.2401e+09
k2_37: 14.5485
k2_40: 16.5686
k2_42: 18.0441
KM_Me37: 2.9614e-07
KM_Me42: 2.5706e-07
KM_Me40: 2.7189e-07
tEx_EC: [92x1 double]
tEx_MC: [61x1 double]
tEx_BP: [101x1 double]
tEx_BNMS: [601x1 double]
x0: 5.3000e-06
MeInitial_C: [0.8250 0]
x42: 1.7000e-06
xB: 2.3000e-06
MMOP: 7.7000e-06
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