Durante años los modelos matemáticos han sido utilizados para estudiar problemas biológicos, específicamente enfocados en la comprensión de fenómenos celulares individuales. El desarrollo de nuevas técnicas experimentales produjo una explosión en cuanto al número y tipo de datos disponibles, lo que permitió el surgimiento de lo que hoy se conoce como Biología de Sistemas. Este nuevo enfoque involucra la aplicación de modelos matemáticos a problemas biológicos, donde los componentes celulares forman parte de redes con el propósito de describir el comportamiento del sistema completo. Hoy en día, se ha logrado una mayor comprensión de diversos fenómenos, pero aún existen procesos donde se desconoce gran parte de la información y aún hay tareas pendientes para obtener una detallada descripción del funcionamiento celular.El objetivo de este proyecto de tesis, fue la aplicación y desarrollo de modelos matemáticos a sistemas biológicos con el fin de entregar nueva información de ciertos procesos y avanzar en el desarrollo de herramientas para guiar el diseño racional de microorganismos. Con este propósito el proyecto de investigación consistió de dos partes.La primera, tuvo como objetivo la aplicación de un modelo para entregar un mejor entendimiento de los efectos de la producción de una proteína recombinante en la regulación génica de Saccharomyces cerevisiae. Esto se llevó a cabo a través de la identificación de los factores regulatorios implicados en este proceso. La metodología aplicada permitió identificar un conjunto de 45 factores de transcripción (transcriptional factors, TFs), los cuales poseen una actividad significativamente diferente en los estados de crecimiento respirofermentativo. Este conjunto fue categorizado y mostró estar relacionado con las principales funciones celulares. Por otra parte, una comparación global entre los TFs y los genes diferencialmente expresados debido a la producción de la proteína recombinante, evidenció que el mayor efecto es registrado cuando las células están entrando a la fase estacionaria. Junto con el efecto de la producción de la proteína recombinante, el análisis corroboró anteriores hipótesis de que el cobre es un factor de estrés. Finalmente, se realizó la identificación de vías metabólicas relacionadas a los TFs previamente identificadas como afectadas por este proceso.La segunda parte del proyecto consistió en la validación y mejoramiento de un modelo matemático para el diseño racional de microorganismos. El sistema de estudio usado para este fin fue Escherichia coli. A través del uso de datos de manipulación genética, se capturaron comportamientos relacionados a fenómenos cinéticos tales como la identificación de reacciones limitantes en una vía biosintética y la generación de nuevos blancos para mejorar la producción de un metabolito específico. Adicionalmente, el modelo utilizado se expandió para permitir el uso de expresiones cinéticas alternativas y aumentar el tipo de datos utilizados por el modelo para incluir el uso de datos dinámicos de metabolitos. Estas mejoras permitieron que el modelo sea más flexible y aplicable a un mayor número de situaciones.