Elektricitet‑åndende E. coli kan drive fremtiden for bioteknologi

E. coli bruger elektricitet til at ånde: Gennembrudsopdagelse forklaret

I teorien er forskellen mellem en menneskeskabt maskine og biologi ret tydelig. Vores opfindelser kører fortrinsvis på elektricitet, mens livet, fra bakterier til mennesker, kører på kemiske reaktioner. Det kan dog være, at forskellen ikke er så sort-hvid, som vi tidligere har antaget.

Forskere ved Rice University, University of California og Novo Nordisk Foundations Center for Biosustainability har opdaget, at en bakterie, der er almindelig i vores tarme, bruger elektricitet til at “ånde” i stedet for ilt, i en proces kaldet ekstracellulær respiration.

“Vores forskning løser ikke kun et langvarigt videnskabeligt mysterium, men peger også på en ny og potentielt udbredt overlevelsesstrategi i naturen.”

Ajo-Franklin – Professor i biosciences

Dette kan have anvendelser ud over biologisk forskning, da processen efterligner, hvordan batterier afløser elektrisk strøm.

Deres resultater blev offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Cell under titlen “Ekstracellulær respiration er en latent energimetabolisme i Escherichia coli”.

Forståelse af respiration og elektronoverførsel i mikrober

I sin kerne er respiration en elektrisk proces, eller mere præcist en elektrokemisk proces. Den tager energirige molekyler og overfører elektroner langs en kompleks proteinkæde, indtil den omdanner ilt til vand ved at tilføje en hydrogenion (H+) og en elektron (e-).

Men intet tvinger denne proces til udelukkende at bruge ilt. For eksempel er det, hvad der sker under fermentering, men det er en langt mindre effektiv proces end respiration eller en oxidationsreaktion, fordi der ikke forekommer en endelig oxidation.

I teorien kan enhver endelig elektronacceptor fungere i respiration og være lig den iltbasserede respiration, selvom det i praksis er langt fra enkelt.

Hvordan E. coli erstatter ilt ved hjælp af ekstracellulær respiration

Dette er præcis, hvad forskerne opdagede. Bakterien Escherichia coli kan bruge forbindelser kaldet naftokviner til at overføre elektroner til eksterne overflader.

Denne ekstracellulære respirationsproces har været kendt i mange år, men dette er første gang, man har forklaret, hvordan den fungerer.

“Denne nyopdagede respirationsmekanisme er en simpel og genial måde at få arbejdet gjort på.”

Naftokviner fungerer som molekylære budbringere, der transporterer elektroner ud af cellen, så bakterierne kan nedbryde mad og generere energi.

Biki Bapi Kundu – en doktorand ved Rice

Så i stedet for at trække ilt ind, kan bakterierne “ånde” gennem oxidation af omgivende materialer ved at få dem til at acceptere de overskydende elektroner.

Dette antyder, at ud over normal respiration og fermentering er dette en tredje metode for bakterier til at behandle mad og generere energi.

Elektrode-baserede eksperimenter bekræfter bakteriers brug af elektricitet

Ved brug af computermodellering afslørede simulationerne, at bakterier kunne opretholde sig selv ved at aflade elektroner eksternt.

Forskerne forsøgte derefter at dyrke bakterierne på et område med en ledende overflade, såsom en elektrode, der kan modtage de elektroner, som naftokvinerne overfører.

Yderligere laboratorietests bekræftede, at bakterier placeret på ledende materialer fortsatte med at vokse og generere elektricitet, effektivt åndende gennem overfladen. Bakterierne gennemgik også en massiv ændring i deres metaboliske funktion og genetiske udtryk, da de skiftede til ekstracellulær respiration.

Anvendelser af bakteriel elektricitet i ren teknologi og bioteknologi

Elektroner, der driver kemiske reaktioner og oxidation, udgør grundlaget for nogle af de vigtigste kemiske reaktioner, herunder mange, der er af stor interesse for ren teknologi.

Især kan denne proces hjælpe med at fiksere kuldioxid ved at anvende teknikker, der udnytter bakterier som E. coli i stedet for planter til at fange kulstoffet.

“Vores arbejde lægger grundlaget for at udnytte kuldioxid gennem vedvarende elektricitet, hvor bakterier fungerer på samme måde som planter med sollys i fotosyntesen.”

Det åbner døren til at bygge smartere, mere bæredygtige teknologier med biologi i centrum.

Ajo-Franklin – Professor i biosciences

Bioteknologiske processer såsom spildevandsbehandling og bioproduktion kunne forbedres betydeligt gennem bedre håndtering af elektronubalancer. Elektricitet‑udåndende bakterier kunne tilføjes disse operationer og rette disse ubalancer for at holde systemerne kørende effektivt.

En anden potentiel anvendelse kunne være bioelektroniske sensorer i iltfattige miljøer, hvor denne elektronoverførselsmetode erstatter ilt. Dette kunne være nyttigt til nye værktøjer til medicinsk diagnostik, forureningsovervågning og udforskning af dyb rummet.

Fremtiden for bioelektricitet: Hvad dette betyder for bioteknologi

Alligevel er meget lidt forstået om de komplekse biokemiske kapaciteter hos mikrober, selv bakterier, som studeret og “forstået” som E. coli, en almindelig laboratoriemodel for mikrobiologer.

Dette åbner for interessante idéer om, hvordan nye opdagelser inden for elektrobiologi kan bruges til at designe bedre løsninger til batterier, sensorer, forureningsstyring, bioproduktion osv.

Sandsynligvis kan det gøres ved kunstigt at efterligne den proces, som E. coli bruger, og som i dag er blevet forklaret.

I den sammenhæng kunne kunstige proteiner eller lignende molekyler udføre elektronoverførslen på en kontrolleret og forudsigelig måde.

Investering i syntetisk biologi

Ginkgo Bioworks

Virksomheden producerer on-demand organismer til specifikke anvendelser, herunder biomedicinske anvendelser samt industrielle og materialvidenskabelige programmer.

Den har også et stort biosecurity‑segment, som blomstrede under pandemien. I de fleste tilfælde anvendes en form for rettet evolution i produktionen og udvælgelsen af Ginkgos produkter, samt avanceret genetisk engineering.

Ginkgo Bioworks (DNA ) har diversificeret sine anvendelser bredt med mange forskningsprogrammer og partnerskaber:

• Cannabinoider
• Programmerbare mikrober til tarmsygdomme
• Bioremediering af mikroplast
• Genanvendelse af affald og forurenende stoffer

Den tjener penge ved først at blive betalt forud for udviklingsprocessen og derefter gennem royalties på det færdige produkt.

Ginkgos partnerskaber udvides konstant, med:

• Et voksende partnerskab med Novo Nordisk.
• Et partnerskab med det japanske handelsfirma Sojitz Corporation.
• DARPA-finansiering til nye proteiner, der kan kontrollere is i ekstreme kolde vejrforhold.
• En aftale på 331 millioner USD med Pfizer.
• En aftale på 490 millioner USD med Merck for at optimere produktion af biologiske lægemidler.
• En aftale på 406 millioner USD med Boehringer Ingelheim for mål, der ikke kan dræbes med lægemidler.

Ginkgo Bioworks samarbejder også med alle de store landbrugsvirksomheder, hvoraf de fleste har interesser i biobrændstofproduktion og mikrobiologi. Nogle af disse inkluderer Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta og flere.

Ginkgos erfaring med skræddersyet design af genetiske sekvenser, organismer og udvælgelse samt biosecurity‑overvågning gør den til en nøgleleverandør for enhver industri, der ønsker at udnytte enzymer og antistoffer til deres specifikke anvendelse.

Som tjenesteudbyder er Ginkgo godt positioneret til at drage fordel af branchens samlede vækst.

Deres forretningsmodel udvikler sig, med flere mulige muligheder for fremtiden. En mulighed kunne være et skifte mod en mere hardware‑fokuseret retning, noget der allerede er startet med salg af automatiserede laboratorier til forskere, efter primært at have drevet disse faciliteter direkte.

En anden mulighed kunne være, at Ginkgo starter mere kontraktproduktion af bioprodukter i stor skala. Deres ekspertise inden for biosciences, laboratorie‑hardware design og optimering af produktion for giganter som Merck giver dem solide kvalifikationer til at lykkes på denne vej.

Endelig bør det også bemærkes, at virksomhedens aktiver, som for eksempel milliarder af dollars i automatiserede vådlaboratorier, er kraftigt nedsat i den nuværende markedsværdi.

Du kan også læse flere detaljer om Gingko Bioworks i den dedikerede investeringsrapport om virksomheden.

Gingko Bioworks aktienyheder og seneste udviklinger

Studierreferencer:

1. Biki Bapi Kundu, et al. (2025) Ekstracellulær respiration er en latent energimetabolisme i Escherichia coli. Cell. 10 april 2025.