E. coli que respira electricidad podría impulsar el futuro de la biotecnología

E. coli usa electricidad para respirar: Descubrimiento revolucionario explicado

En teoría, la diferencia entre una máquina hecha por el hombre y la biología es bastante clara. Nuestras invenciones funcionan principalmente con electricidad, mientras que la vida, desde bacterias hasta humanos, funciona con reacciones químicas. Sin embargo, podría ser que la diferencia no sea tan tajante como asumíamos anteriormente.

Investigadores de la Rice University, la University of California y el Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability han descubierto que una bacteria común en nuestro intestino está usando electricidad para “respirar”, en lugar de usar oxígeno, en un proceso llamado respiración extracelular.

“Nuestra investigación no solo resuelve un misterio científico de larga data, sino que también apunta a una nueva y potencialmente extendida estrategia de supervivencia en la naturaleza.”

Ajo-Franklin – Profesor de Ciencias Biológicas

Esto podría tener aplicaciones más allá de la investigación biológica, ya que el proceso imita cómo las baterías descargan corriente eléctrica.

Sus hallazgos fueron publicados en la prestigiosa revista científica Cell, bajo el título “Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli”.

Comprendiendo la respiración y la transferencia de electrones en microbios

En su esencia, la respiración es un proceso eléctrico, o más precisamente, electroquímico. Toma moléculas energéticas y transfiere electrones a lo largo de una cadena proteica compleja hasta que transforma el oxígeno en agua, añadiéndole iones de hidrógeno (H+) y electrones (e-).

Pero nada obliga a este proceso a usar exclusivamente oxígeno. Por ejemplo, eso es lo que ocurre durante la fermentación, pero es un proceso mucho menos eficiente que la respiración, o reacción de oxidación, debido a que no ocurre una oxidación final.

En teoría, cualquier aceptor final de electrones puede funcionar para la respiración y ser similar a la respiración basada en oxígeno, aunque en la práctica, está lejos de ser simple.

Cómo E. coli reemplaza el oxígeno usando la respiración extracelular

Esto es exactamente lo que los investigadores descubrieron. La bacteria Escherichia coli puede usar compuestos llamados naftoquinonas para transferir electrones a superficies externas.

Este proceso de respiración extracelular se conocía desde hace muchos años, pero esta es la primera vez que se explica cómo funciona.

“Este mecanismo de respiración recién descubierto es una forma simple e ingeniosa de lograr el objetivo.

Las naftoquinonas actúan como mensajeros moleculares, transportando electrones fuera de la célula para que la bacteria pueda descomponer alimentos y generar energía.”

Biki Bapi Kundu – estudiante de doctorado en Rice

Así, en lugar de respirar oxígeno, la bacteria puede “respirar” mediante la oxidación de materiales circundantes haciéndolos aceptar los electrones excedentes.

Esto sugiere que, además de la respiración normal y la fermentación, este es un tercer método para que las bacterias procesen alimentos y generen energía.

Experimentos basados en electrodos confirman el uso de electricidad por parte de las bacterias

Usando modelado por computadora, las simulaciones revelaron que las bacterias podrían sustentarse descargando electrones externamente.

Los investigadores luego intentaron cultivar las bacterias en una zona rica en superficie conductora, como un electrodo capaz de recibir los electrones transferidos por las naftoquinonas.

Pruebas de laboratorio adicionales confirmaron que las bacterias colocadas sobre materiales conductores continuaron creciendo y generando electricidad, respirando efectivamente a través de la superficie. Las bacterias también experimentaron un cambio masivo en su función metabólica y expresión genética al cambiar a la respiración extracelular.

Aplicaciones de la electricidad bacteriana en tecnologías limpias y biotecnología

Los electrones que impulsan reacciones químicas y oxidaciones son la base de algunas de las reacciones químicas más importantes, incluidas muchas que son de gran interés para tecnologías limpias.

En particular, la fijación de dióxido de carbono podría beneficiarse de este proceso, con técnicas que aprovechan bacterias como E. coli en lugar de plantas para capturar el carbono.

“Nuestro trabajo sienta las bases para aprovechar el dióxido de carbono mediante electricidad renovable, donde las bacterias funcionan de manera similar a las plantas con luz solar en la fotosíntesis.

Abre la puerta a construir tecnologías más inteligentes y sostenibles con la biología en el núcleo.”

Ajo-Franklin – Profesor de Ciencias Biológicas

Los procesos biotecnológicos como el tratamiento de aguas residuales y la bioproducción podrían mejorarse significativamente mediante una mejor gestión de los desequilibrios de electrones. Las bacterias que exhalan electricidad podrían añadirse a estas operaciones y corregir esos desequilibrios para mantener los sistemas funcionando eficientemente.

Otra aplicación potencial podría ser sensores bioelectrónicos en entornos con escasez de oxígeno, usando este método de transferencia de electrones para reemplazar el oxígeno. Esto podría ser útil para nuevas herramientas de diagnóstico médico, monitoreo de contaminación y exploración espacial profunda.

Futuro de la bioelectricidad: Qué significa esto para la biotecnología

Aún así, se entiende muy poco sobre las complejas capacidades bioquímicas de los microbios, incluso de bacterias, tan estudiadas y “entendidas” como E. coli, un modelo de laboratorio común para microbiólogos.

Esto abre ideas interesantes sobre cómo los nuevos descubrimientos en electrobiología podrían usarse para diseñar mejores soluciones para baterías, sensores, gestión de contaminación, bioproducción, etc.

Lo más probable es que se pueda lograr replicando artificialmente el proceso utilizado por E. coli y finalmente explicado hoy.

En ese contexto, proteínas artificiales o moléculas similares podrían realizar la transferencia de electrones de manera controlada y predecible.

Invertir en biología sintética

Ginkgo Bioworks

La empresa produce organismos bajo demanda para aplicaciones específicas, incluidas aplicaciones biomédicas y programas de ciencias industriales y de materiales.

También cuenta con un amplio segmento de bioseguridad, que prosperó durante la pandemia. En la mayoría de los casos, se utiliza alguna forma de evolución dirigida en la producción y selección de los productos de Gingko, así como ingeniería genética avanzada.

Ginkgo Bioworks ha diversificado ampliamente sus aplicaciones con muchos programas de investigación y asociaciones:

• Canabinoides
• Microbios programables para enfermedades intestinales
• Biorremediación de microplásticos
• Reciclaje de residuos y contaminantes

Genera ingresos al recibir primero un pago anticipado por el proceso de desarrollo y luego a través de regalías sobre el producto terminado.

Las asociaciones de Gingko están en constante expansión, con:

• Una asociación creciente con Novo Nordisk.
• Una asociación con la empresa comercial japonesa Sojitz Corporation.
• Financiación de DARPA para proteínas novedosas que controlen el hielo en entornos de clima extremadamente frío.
• Un acuerdo de $331M con Pfizer.
• Un acuerdo de $490M con Merck para optimizar la fabricación de biológicos.
• Un acuerdo de $406M con Boehringer Ingelheim para objetivos no farmacológicos.

Ginkgo Bioworks también se asocia con todas las principales corporaciones agrícolas, la mayoría de las cuales tienen intereses en la producción de biocombustibles y microbiología. Algunas de ellas incluyen Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta y más.

La experiencia de Gingko en diseños personalizados de secuencias genéticas, organismos y selección, así como en monitoreo de bioseguridad, lo convierte en un proveedor clave para cada industria que busca aprovechar enzimas y anticuerpos para su aplicación específica.

Como proveedor de servicios, Gingko está bien posicionado para capitalizar el crecimiento de la industria en su conjunto.

Su modelo de negocio está evolucionando, con varias opciones posibles para el futuro. Una podría ser un cambio hacia una dirección más centrada en hardware, algo ya iniciado con la venta de laboratorios automatizados a investigadores, después de haber operado principalmente esas instalaciones directamente.

Otra opción podría ser que Ginkgo comience a realizar más fabricación por contrato de bioproductos a gran escala. Su experiencia en biosciencias, diseño de hardware de laboratorio y optimización de la producción para gigantes como Merck le brinda credenciales serias para tener éxito en este camino.

Por último, también debe señalarse que los activos de la empresa, como por ejemplo miles de millones de dólares en laboratorios húmedos automatizados, están severamente descontados en la capitalización de mercado actual.

También puedes leer más detalles sobre Gingko Bioworks en el informe de inversión dedicado a la empresa.

Noticias de acciones de Gingko Bioworks y últimos desarrollos

Referencia del estudio:

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