Το E. coli που αναπνέει ηλεκτρισμό θα μπορούσε να τροφοδοτήσει το μέλλον της βιοτεχνολογίας

E. coli Uses Electricity to Breathe: Breakthrough Discovery Explained

Στη θεωρία, η διαφορά μεταξύ μιας ανθρώπινης μηχανής και της βιολογίας είναι αρκετά σαφής. Οι εφευρέσεις μας λειτουργούν κυρίως με ηλεκτρισμό, ενώ η ζωή, από τα βακτήρια μέχρι τους ανθρώπους, λειτουργεί με χημικές αντιδράσεις. Ωστόσο, ίσως η διαφορά να μην είναι τόσο απόλυτη όσο υποθέσαμε προηγουμένως.

Ερευνητές από το Rice University, το University of California και το Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability έχουν ανακαλύψει ότι ένα βακτήριο κοινό στο έντερο μας χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό για να «αναπνέει», αντί για οξυγόνο, σε μια διαδικασία που ονομάζεται εξωκυτταρική αναπνοή.

«Η έρευνά μας δεν λύνει μόνο ένα μακροχρόνιο επιστημονικό μυστήριο, αλλά επίσης υποδεικνύει μια νέα και πιθανώς ευρέως διαδεδομένη στρατηγική επιβίωσης στη φύση.»

Ajo-Franklin – Καθηγητής Βιοεπιστημών

Αυτό θα μπορούσε να έχει εφαρμογές πέρα από τη βιολογική έρευνα, καθώς η διαδικασία μιμείται τον τρόπο με τον οποίο εκκενώνουν ρεύμα οι μπαταρίες.

Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν στο καταξιωμένο επιστημονικό περιοδικό Cell, με τίτλο «Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli».

Understanding Respiration and Electron Transfer in Microbes

Στην ουσία, η αναπνοή είναι μια ηλεκτρική διαδικασία, ή πιο ακριβώς, μια ηλεκτροχημική. Παίρνει ενεργειακά μόρια και μεταφέρει ηλεκτρόνια κατά μήκος μιας πολύπλοκης αλυσίδας πρωτεϊνών μέχρι να μετατρέψει το οξυγόνο σε νερό, προσθέτοντας σε αυτό ιόν υδρογόνου (H+) και ηλεκτρόνιο (e-).

Ωστόσο, τίποτα δεν αναγκάζει αυτή τη διαδικασία να χρησιμοποιεί αποκλειστικά οξυγόνο. Για παράδειγμα, αυτό συμβαίνει κατά τη ζύμωση, αλλά είναι πολύ λιγότερο αποδοτική διαδικασία από την αναπνοή ή την οξείδωση, επειδή δεν υπάρχει τελική οξείδωση.

Στη θεωρία, οποιοσδήποτε τελικός αποδέκτης ηλεκτρονίων μπορεί να λειτουργήσει για την αναπνοή και να είναι παρόμοιος με την αναπνοή βασισμένη στο οξυγόνο, αν και στην πράξη είναι μακριά από το απλό.

How E. coli Replaces Oxygen Using Extracellular Respiration

Αυτό είναι ακριβώς αυτό που ανακάλυψαν οι ερευνητές. Το βακτήριο Escherichia coli μπορεί να χρησιμοποιήσει ενώσεις που ονομάζονται ναφθοκινόνες για να μεταφέρει ηλεκτρόνια σε εξωτερικές επιφάνειες.

Αυτή η διαδικασία εξωκυτταρικής αναπνοής ήταν γνωστή για πολλά χρόνια, αλλά αυτή είναι η πρώτη φορά που εξηγήθηκε ο τρόπος λειτουργίας της.

«Αυτός ο νεοανακαλυφθείς μηχανισμός της αναπνοής είναι ένας απλός και ευφυής τρόπος για να ολοκληρωθεί η εργασία.

Οι ναφθοκινόνες λειτουργούν όπως μοριακοί αγγελιοφόροι, μεταφέροντας ηλεκτρόνια έξω από το κύτταρο ώστε τα βακτήρια να μπορούν να διασπούν τη τροφή και να παράγουν ενέργεια.»

Biki Bapi Kundu – φοιτητής διδακτορικού στο Rice

Έτσι, αντί να αναπνέει οξυγόνο, τα βακτήρια μπορούν να «αναπνέουν» μέσω της οξείδωσης των περιβάλλοντων υλικών, κάνοντάς τα να αποδέχονται τα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια.

Αυτό υποδηλώνει ότι, εκτός από τη φυσιολογική αναπνοή και τη ζύμωση, αυτή είναι μια τρίτη μέθοδος για τα βακτήρια να επεξεργάζονται τη τροφή και να παράγουν ενέργεια.

Electrode-Based Experiments Confirm Bacterial Electricity Use

Χρησιμοποιώντας υπολογιστική προσομοίωση, οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν ότι τα βακτήρια θα μπορούσαν να επιβιώσουν εκκενώνοντας ηλεκτρόνια εξωτερικά.

Οι ερευνητές προσπάθησαν στη συνέχεια να καλλιεργήσουν τα βακτήρια σε μια περιοχή πλούσια σε αγώγιμη επιφάνεια, όπως ένα ηλεκτρόδιο ικανό να λαμβάνει τα ηλεκτρόνια που μεταφέρονται από τις ναφθοκινόνες.

Περαιτέρω εργαστηριακές δοκιμές επιβεβαίωσαν ότι τα βακτήρια τοποθετημένα σε αγώγιμα υλικά συνέχισαν να αναπτύσσονται και να παράγουν ηλεκτρισμό, αναπνέοντας ουσιαστικά μέσω της επιφάνειας. Τα βακτήρια υπέστησαν επίσης μια τεράστια αλλαγή στη μεταβολική τους λειτουργία και στην γονιδιακή τους έκφραση καθώς μεταπήδησαν στην εξωκυτταρική αναπνοή.

Applications of Bacterial Electricity in Clean Tech and Biotech

Τα ηλεκτρόνια που οδηγούν χημικές αντιδράσεις και οξείδωση αποτελούν τη βάση ορισμένων από τις πιο σημαντικές χημικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένων πολλών που ενδιαφέρουν ιδιαίτερα τις καθαρές τεχνολογίες.

Ιδιαίτερα, η σύλληψη του διοξειδίου του άνθρακα θα μπορούσε να ενισχυθεί από αυτή τη διαδικασία, με τεχνικές που αξιοποιούν βακτήρια όπως το E. coli αντί για φυτά για τη σύλληψη του άνθρακα.

«Η δουλειά μας θέτει τα θεμέλια για την αξιοποίηση του διοξειδίου του άνθρακα μέσω ανανεώσιμου ηλεκτρισμού, όπου τα βακτήρια λειτουργούν παρόμοια με τα φυτά με ηλιακό φως στη φωτοσύνθεση.»

«Ανοίγει το δρόμο για την κατασκευή πιο έξυπνων, πιο βιώσιμων τεχνολογιών με τη βιολογία στον πυρήνα.»

Ajo-Franklin – Καθηγητής Βιοεπιστημών

Διεργασίες βιοτεχνολογίας όπως η επεξεργασία λυμάτων και η βιοκατασκευή θα μπορούσαν να βελτιωθούν σημαντικά μέσω καλύτερης διαχείρισης των ανισοτήτων ηλεκτρονίων. Τα βακτήρια που εκπνέουν ηλεκτρισμό θα μπορούσαν να προστεθούν σε αυτές τις λειτουργίες και να διορθώσουν αυτές τις ανισορροπίες ώστε τα συστήματα να λειτουργούν αποδοτικά.

Μια άλλη πιθανή εφαρμογή θα μπορούσε να είναι τα βιοηλεκτρονικά αισθητήρια σε περιβάλλοντα χωρίς οξυγόνο, χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο μεταφοράς ηλεκτρονίων για την αντικατάσταση του οξυγόνου. Αυτό θα μπορούσε να είναι χρήσιμο για νέα εργαλεία ιατρικής διάγνωσης, παρακολούθησης ρύπανσης και εξερεύνησης του διαστήματος.

Future of Bioelectricity: What This Means for Biotechnology

Παρόλα αυτά, πολύ λίγα είναι κατανοητά σχετικά με τις πολύπλοκες βιοχημικές δυνατότητες των μικροοργανισμών, ακόμη και των βακτηρίων, όπως το E. coli, ένα κοινό εργαστηριακό μοντέλο για τους μικροβιολόγους.

Αυτό ανοίγει ενδιαφέρουσες ιδέες για το πώς νέες ανακαλύψεις στην ηλεκτροβιολογία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό καλύτερων λύσεων για μπαταρίες, αισθητήρες, διαχείριση ρύπανσης, βιοκατασκευή κ.λπ.

Πιθανότατα, αυτό θα μπορούσε να γίνει με την τεχνητή αναπαραγωγή της διαδικασίας που χρησιμοποιεί το E. coli και εξηγήθηκε σήμερα.

Σε αυτό το πλαίσιο, τεχνητές πρωτεΐνες ή παρόμοια μόρια θα μπορούσαν να εκτελούν τη μεταφορά ηλεκτρονίων με ελεγχόμενο και προβλέψιμο τρόπο.

Investing in Synthetic Biology

Ginkgo Bioworks

Η εταιρεία παράγει οργανισμούς κατά ζήτηση για συγκεκριμένες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των βιοϊατρικών εφαρμογών και προγραμμάτων βιομηχανίας και επιστημών υλικών.

Διαθέτει επίσης μεγάλο τμήμα βιοασφάλειας, το οποίο άνθισε κατά τη διάρκεια της πανδημίας. Στις περισσότερες περιπτώσεις, κάποια μορφή κατευθυνόμενης εξέλιξης χρησιμοποιείται στην παραγωγή και επιλογή των προϊόντων της Ginkgo, καθώς και στην προηγμένη γενετική μηχανική.

Η Ginkgo Bioworks (DNA ) έχει διαφοροποιήσει ευρέως τις εφαρμογές της με πολλά ερευνητικά προγράμματα και συνεργασίες:

• Κανναβινοειδή
• Προγραμματιζόμενα μικροοργανισμοί για παθήσεις του εντέρου
• Βιοαποκατάσταση μικροπλαστικών
• Ανακύκλωση αποβλήτων και ρύπων

Κερδίζει χρήματα λαμβάνοντας πρώτα προκαταβολή για τη διαδικασία ανάπτυξης και στη συνέχεια μέσω δικαιωμάτων χρήσης στο τελικό προϊόν.

Οι συνεργασίες της Ginkgo επεκτείνονται συνεχώς, με:

• Μια αυξανόμενη συνεργασία με το Novo Nordisk.
• Μια συνεργασία με την ιαπωνική εμπορική εταιρεία Sojitz Corporation.
• Χρηματοδότηση από DARPA για νέες πρωτεΐνες που ελέγχουν τον πάγο σε ακραία ψυχρά κλίματα.
• Συμφωνία αξίας 331 εκατομμυρίων δολαρίων με την Pfizer.
• Συμφωνία αξίας 490 εκατομμυρίων δολαρίων με τη Merck για βελτιστοποίηση της παραγωγής βιολογικών προϊόντων.
• Συμφωνία αξίας 406 εκατομμυρίων δολαρίων με τη Boehringer Ingelheim για μη φαρμακοποιήσιμους στόχους.

Η Ginkgo Bioworks συνεργάζεται επίσης με όλες τις μεγάλες γεωργικές εταιρείες, οι περισσότερες των οποίων έχουν ενδιαφέρον για την παραγωγή βιοκαυσίμων και τη μικροβιολογία. Μερικές από αυτές είναι οι Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta και άλλες.

Η εμπειρία της Ginkgo σε προσαρμοσμένα σχέδια γενετικών αλληλουχιών, οργανισμών και επιλογής, καθώς και στην παρακολούθηση βιοασφάλειας, την καθιστά βασικό προμηθευτή για κάθε βιομηχανία που επιδιώκει να αξιοποιήσει ένζυμα και αντισώματα για τη συγκεκριμένη της εφαρμογή.

Ως πάροχος υπηρεσιών, η Ginkgo είναι καλά τοποθετημένη για να εκμεταλλευτεί την ανάπτυξη της βιομηχανίας συνολικά.

Το επιχειρηματικό της μοντέλο εξελίσσεται, με πολλές πιθανές επιλογές για το μέλλον. Μία από αυτές θα μπορούσε να είναι η μετάβαση σε πιο εξοπλιστική κατεύθυνση, κάτι που έχει ήδη ξεκινήσει με την πώληση αυτοματοποιημένων εργαστηρίων σε ερευνητές, αφού μέχρι τώρα λειτουργούσε κυρίως αυτές τις εγκαταστάσεις άμεσα.

Μια άλλη επιλογή θα μπορούσε να είναι η Ginkgo να ξεκινήσει περισσότερη κατασκευή βιοπροϊόντων κατά σύμβαση σε μεγάλη κλίμακα. Η τεχνογνωσία της στις βιοεπιστήμες, το σχεδιασμό εξοπλισμού εργαστηρίων και τη βελτιστοποίηση της παραγωγής για γίγαντες όπως η Merck της παρέχει ισχυρά προσόντα για επιτυχία σε αυτή τη διαδρομή.

Τέλος, πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι τα περιουσιακά στοιχεία της εταιρείας, όπως για παράδειγμα δισεκατομμύρια δολάρια σε αυτοματοποιημένα υγρά εργαστήρια, είναι σημαντικά υποτιμημένα στην τρέχουσα κεφαλαιοποίηση της αγοράς.

Μπορείτε επίσης να διαβάσετε περισσότερες λεπτομέρειες για τη Ginkgo Bioworks στην ειδική επενδυτική αναφορά για την εταιρεία.

Gingko Bioworks Stock News and Latest Developments

Study Reference:

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