Stromatmende E. coli könnte die Zukunft der Biotechnologie antreiben

E. coli nutzt Strom zum Atmen: Durchbruch-Entdeckung erklärt

Theoretisch ist der Unterschied zwischen einer von Menschen gemachten Maschine und der Biologie ziemlich klar. Unsere Erfindungen laufen meist mit Strom, während das Leben, von Bakterien bis zu Menschen, auf chemischen Reaktionen beruht. Es könnte jedoch sein, dass der Unterschied nicht so eindeutig ist, wie wir bisher angenommen haben.

Forscher der Rice University, der University of California und des Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability haben entdeckt, dass ein im menschlichen Darm häufig vorkommendes Bakterium Strom zum „Atmen“ nutzt, anstatt Sauerstoff, in einem Prozess, der extrazelluläre Atmung genannt wird.

„Unsere Forschung löst nicht nur ein langjähriges wissenschaftliches Rätsel, sondern weist auch auf eine neue und potenziell weit verbreitete Überlebensstrategie in der Natur hin.“

Ajo-Franklin – Professor of Biosciences

Dies könnte über die biologische Forschung hinaus Anwendungen finden, da der Prozess nachahmt, wie Batterien elektrischen Strom abgeben.

Ihre Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Cell veröffentlicht, unter dem Titel „Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli“.

Verstehen von Atmung und Elektronentransfer bei Mikroben

Im Kern ist Atmung ein elektrischer Prozess, genauer gesagt ein elektrochemischer. Sie nimmt energiereiche Moleküle und überträgt Elektronen entlang einer komplexen Proteinkette, bis Sauerstoff in Wasser umgewandelt wird, indem ihm ein Wasserstoffion (H+) und ein Elektron (e-) hinzugefügt werden.

Aber nichts zwingt diesen Prozess, ausschließlich Sauerstoff zu verwenden. Zum Beispiel geschieht das während der Fermentation, jedoch ist es ein deutlich weniger effizienter Prozess als die Atmung bzw. die Oxidationsreaktion, da keine abschließende Oxidation stattfindet.

Theoretisch kann jeder finale Elektronenakzeptor für die Atmung funktionieren und der sauerstoffbasierten Atmung ähneln, obwohl es in der Praxis alles andere als einfach ist.

Wie E. coli Sauerstoff durch extrazelluläre Atmung ersetzt

Genau das haben die Forscher entdeckt. Das Bakterium Escherichia coli kann Verbindungen namens Naphthoquinone nutzen, um Elektronen auf äußere Oberflächen zu übertragen.

Dieser Prozess der extrazellulären Atmung war seit vielen Jahren bekannt, aber dies ist das erste Mal, dass erklärt wurde, wie er funktioniert.

„Dieser neu entdeckte Atemmechanismus ist ein einfacher und genialer Weg, die Aufgabe zu erledigen.

Naphthoquinone wirken wie molekulare Kuriere, die Elektronen aus der Zelle transportieren, sodass die Bakterien Nahrung abbauen und Energie erzeugen können.“

Biki Bapi Kundu – a Rice doctoral student

Statt Sauerstoff zu atmen, können die Bakterien durch die Oxidation umliegender Materialien „atmen“, indem sie diese dazu bringen, die überschüssigen Elektronen aufzunehmen.

Das deutet darauf hin, dass neben der normalen Atmung und Fermentation dies eine dritte Methode für Bakterien ist, Nahrung zu verarbeiten und Energie zu erzeugen.

Elektrodenbasierte Experimente bestätigen die Nutzung von Strom durch Bakterien

Durch Computermodellierung zeigten die Simulationen, dass Bakterien sich selbst erhalten können, indem sie Elektronen nach außen abgeben.

Die Forscher versuchten anschließend, die Bakterien auf einer Fläche mit leitfähiger Oberfläche zu kultivieren, etwa einer Elektrode, die die von den Naphthoquinonen übertragenen Elektronen empfangen kann.

Weitere Labortests bestätigten, dass Bakterien, die auf leitfähigen Materialien platziert wurden, weiter wuchsen und Strom erzeugten, wobei sie effektiv über die Oberfläche atmeten. Die Bakterien erfuhren zudem eine massive Veränderung ihrer Stoffwechselfunktion und Genexpression, als sie zur extrazellulären Atmung wechselten.

Anwendungen von bakterieller Elektrizität in Clean Tech und Biotechnologie

Elektronen, die chemische Reaktionen und Oxidationen antreiben, bilden die Grundlage einiger der wichtigsten chemischen Reaktionen, einschließlich vieler, die für saubere Technologien von zentraler Bedeutung sind.

Insbesondere könnte die Fixierung von Kohlendioxid durch diesen Prozess unterstützt werden, indem Techniken eingesetzt werden, die Bakterien wie E. coli anstelle von Pflanzen zur Kohlenstoffbindung nutzen.

„Unsere Arbeit legt das Fundament dafür, Kohlendioxid mittels erneuerbarem Strom zu nutzen, wobei Bakterien ähnlich wie Pflanzen mit Sonnenlicht in der Photosynthese funktionieren.

Sie öffnet die Tür zum Aufbau intelligenterer, nachhaltigerer Technologien, bei denen Biologie im Kern steht.“

Ajo-Franklin – Professor of Biosciences

Biotechnologische Prozesse wie Abwasserbehandlung und Bioproduktion könnten durch ein besseres Management von Elektronenungleichgewichten erheblich verbessert werden. Stromabgebende Bakterien könnten zu diesen Vorgängen hinzugefügt werden, um diese Ungleichgewichte auszugleichen und die Systeme effizient am Laufen zu halten.

Eine weitere potenzielle Anwendung könnten bioelektronische Sensoren in sauerstoffarmen Umgebungen sein, die diese Elektronentransfermethode nutzen, um Sauerstoff zu ersetzen. Dies könnte für neue Werkzeuge in der medizinischen Diagnostik, der Umweltüberwachung und der Erforschung des Weltraums nützlich sein.

Zukunft der Bioelektrizität: Was das für die Biotechnologie bedeutet

Dennoch ist noch sehr wenig über die komplexen biochemischen Fähigkeiten von Mikroben, selbst von Bakterien, die so gut untersucht und „verstanden“ sind wie E. coli, ein gängiges Labormodell für Mikrobiologen, bekannt.

Das eröffnet interessante Ideen, wie neue Entdeckungen im Bereich der Elektro‑Biologie genutzt werden könnten, um bessere Lösungen für Batterien, Sensoren, Umweltmanagement, Bioproduktion usw. zu entwickeln.

Wahrscheinlich könnte dies durch die künstliche Replikation des von E. coli genutzten Prozesses erreicht werden, der heute erstmals erklärt wurde.

In diesem Kontext könnten künstliche Proteine oder ähnliche Moleküle den Elektronentransfer auf kontrollierte und vorhersehbare Weise durchführen.

Investieren in synthetische Biologie

Ginkgo Bioworks

Das Unternehmen stellt auf Abruf Organismen für spezifische Anwendungen her, einschließlich biomedizinischer Anwendungen sowie Programme in der Industrie- und Materialwissenschaft.

Es verfügt zudem über einen großen Biosecurity‑Bereich, der während der Pandemie stark wuchs. In den meisten Fällen wird eine Form der gerichteten Evolution bei der Produktion und Auswahl der Produkte von Ginkgo eingesetzt, ebenso wie fortschrittliche Gentechnik.

Ginkgo Bioworks (DNA ) hat seine Anwendungen breit diversifiziert mit vielen Forschungsprogrammen und Partnerschaften:

• Cannabinoide
• Programmierbare Mikroben für Darmerkrankungen
• Bioremediation von Mikroplastik
• Recycling von Abfällen und Kontaminanten

Es verdient Geld, indem es zunächst für den Entwicklungsprozess im Voraus bezahlt wird und anschließend Lizenzgebühren für das fertige Produkt erhält.

Die Partnerschaften von Ginkgo erweitern sich ständig, mit:

• Eine wachsende Partnerschaft mit Novo Nordisk.
• Eine Partnerschaft mit dem japanischen Handelsunternehmen Sojitz Corporation.
• DARPA-Finanzierung für neuartige Proteine zur Eissteuerung in extrem kalten Wetterbedingungen.
• Ein Deal über 331 Mio. $ mit Pfizer.
• Ein Deal über 490 Mio. $ mit Merck zur Optimierung der Biologika-Herstellung.
• Ein Deal über 406 Mio. $ mit Boehringer Ingelheim für nicht medikamentierbare Ziele.

Ginkgo Bioworks arbeitet zudem mit allen großen Agrarkonzernen zusammen, von denen die meisten Interessen an Biokraftstoffproduktion und Mikrobiologie haben. Einige davon sind Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta und weitere.

Die Erfahrung von Ginkgo im kundenspezifischen Design von genetischen Sequenzen, Organismen und Auswahl sowie im Biosecurity‑Monitoring macht es zu einem Schlüsselanbieter für jede Branche, die Enzyme und Antikörper für ihre spezifische Anwendung nutzen möchte.

Als Dienstleister ist Ginkgo gut positioniert, vom Wachstum der gesamten Branche zu profitieren.

Sein Geschäftsmodell entwickelt sich weiter, mit mehreren möglichen Optionen für die Zukunft. Eine Möglichkeit wäre ein Wechsel zu einer stärker hardware‑orientierten Ausrichtung, was bereits durch den Verkauf automatisierter Labore an Forscher initiiert wurde, nachdem diese Einrichtungen bisher hauptsächlich intern betrieben wurden.

Eine weitere Option könnte sein, dass Ginkgo vermehrt Auftragsfertigung von Bioprodukten im großen Maßstab übernimmt. Seine Expertise in Biowissenschaften, Laborausrüstung und Produktionsoptimierung für Giganten wie Merck verleiht ihm ernsthafte Glaubwürdigkeit für diesen Weg.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Unternehmenswerte, zum Beispiel Milliarden von Dollar in automatisierten Nasslabors, bei der aktuellen Marktkapitalisierung stark abgewertet sind.

Weitere Details zu Ginkgo Bioworks können Sie im dedizierten Investitionsbericht über das Unternehmen nachlesen.

Ginkgo Bioworks Aktiennachrichten und aktuelle Entwicklungen

Studienreferenz:

1. Biki Bapi Kundu, et al. (2025) Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli. Cell. 10 April 2025.