Sähköä hengittävä E. coli voisi voimaannuttaa bioteknologian tulevaisuuden

E. coli käyttää sähköä hengittääkseen: läpimurtohavainto selitettynä

Teoriassa ihmisen tekemän koneen ja biologian välinen ero on melko selvä. Keksintömme toimivat enimmäkseen sähköllä, kun taas elämä, bakteereista ihmisiin, perustuu kemiallisiin reaktioihin. Kuitenkin ero ei välttämättä ole niin mustavalkoinen kuin aiemmin oletimme.

Rice Universityn, University of Californiän ja Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainabilityn tutkijat ovat havainneet, että suolistossamme yleinen bakteeri käyttää sähköä “hengittääkseen” hapen sijaan prosessissa, jota kutsutaan ekstrasellulaariseksi hengitykseksi.

“Tutkimuksemme ei ainoastaan ratkaise pitkään jatkunutta tieteellistä mysteeriä, vaan se myös viittaa uuteen ja mahdollisesti laajalle levinneeseen selviytymisstrategiaan luonnossa.”

Ajo-Franklin – Biotieteiden professori

Tällä voi olla sovelluksia biologisen tutkimuksen ulkopuolella, sillä prosessi jäljittelee sitä, miten akut purkavat sähkövirtaa.

Tulokset julkaistiin arvostetussa tieteellisessä lehdessä Cell otsikolla “Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli”.

Hengityksen ja elektroninsiirron ymmärtäminen mikro-organismeissa

Perimmäisesti hengitys on sähköinen prosessi, tarkemmin sanottuna elektrokemiallinen. Se ottaa energisiä molekyylejä ja siirtää elektroneja monimutkaisen proteiiniketjun läpi, kunnes se muuntaa hapen vedeksi lisäämällä siihen vetyionin (H+) ja elektronin (e-).

Mutta mikään ei pakota tätä prosessia käyttämään pelkästään happea. Esimerkiksi fermentaation aikana tapahtuu juuri tätä, mutta se on paljon vähemmän tehokas prosessi kuin hengitys tai hapettumisreaktio, koska lopullista hapetusta ei tapahdu.

Teoriassa mikä tahansa elektronien loppukohde voi toimia hengityksessä ja olla samankaltainen kuin happipohjainen hengitys, vaikka käytännössä se on kaukana yksinkertaisuudesta.

Kuinka E. coli korvaa hapen käyttäen ekstrasellulaarista hengitystä

Tämä on juuri se, mitä tutkijat löysivät. Bakteeri Escherichia coli voi käyttää yhdisteitä, joita kutsutaan naftokvinooneiksi, siirtääkseen elektroneja ulkoisiin pintoihin.

Tämä ekstrasellulaarinen hengitysprosessi on ollut tiedossa vuosia, mutta tämä on ensimmäinen kerta, kun sen toiminta on selitetty.

“Tämä äskettäin löydetty hengitysmekanismi on yksinkertainen ja nerokas tapa saada tehtävä suoritettua.

Naftokvinoonit toimivat kuin molekulaariset kuriirit, kuljettaen elektroneja solun ulkopuolelle, jotta bakteerit voivat hajottaa ravintoa ja tuottaa energiaa.”

Biki Bapi Kundu – Ricein tohtorikoulutuksen opiskelija

Joten hapen hengittämisen sijaan bakteerit voivat “hengittää” ympäröivien materiaalien hapettumisen kautta saaden ne vastaanottamaan ylimääräiset elektronit.

Tämä viittaa siihen, että normaalin hengityksen ja fermentaation lisäksi tämä on kolmas tapa bakteereille käsitellä ravintoa ja tuottaa energiaa.

Elektrodi-pohjaiset kokeet vahvistavat bakteerien sähkönkäytön

Tietokonemallinnuksen avulla simulaatiot paljastivat, että bakteerit voivat ylläpitää itseään purkamalla elektroneja ulkoisesti.

Tutkijat yrittivät sitten kasvattaa bakteereja alueella, jossa on runsaasti johtavaa pintaa, kuten elektrodi, joka pystyy vastaanottamaan naftokvinoonien siirtämät elektronit.

Lisälaboratoriotestit vahvistivat, että johtavilla materiaaleilla olevat bakteerit jatkoivat kasvua ja sähkön tuotantoa, hengittäen tehokkaasti pinnan kautta. Bakteerit kokivat myös valtavan muutoksen aineenvaihduntatoiminnoissaan ja geeniekspressiossaan siirtyessään ekstrasellulaariseen hengitykseen.

Bakteerien sähkön sovellukset puhtaan teknologian ja bioteknologian alalla

Elektronit, jotka ohjaavat kemiallisia reaktioita ja hapetusta, ovat joidenkin tärkeimpien kemiallisten reaktioiden perusta, mukaan lukien monet, jotka ovat keskeisiä puhtaille teknologioille.

Erityisesti hiilidioksidin kiinnitys voisi hyötyä tästä prosessista, tekniikoilla, jotka hyödyntävät bakteereja kuten E. coli kasvien sijaan hiilen sitomiseksi.

“Työmme luo perustan hiilidioksidin hyödyntämiselle uusiutuvan sähkön avulla, jossa bakteerit toimivat samalla tavalla kuin kasvit auringonvalon avulla fotosynteesissä.

Se avaa oven älykkäämpien, kestävämpien teknologioiden rakentamiseen, joissa biologia on ytimessä.”

Ajo-Franklin – Biotieteiden professori

Bioteknologiset prosessit, kuten jäteveden käsittely ja biotuotanto, voisivat parantua merkittävästi paremmalla elektronien epätasapainon hallinnalla. Sähköä ulospuhaltavat bakteerit voitaisiin lisätä näihin toimiin tasapainottamaan epätasapainoa ja pitämään järjestelmät tehokkaina.

Toinen mahdollinen sovellus voisi olla bioelektroniset sensorit happipitoisuudeltaan vähäisissä ympäristöissä, käyttäen tätä elektroninsiirtomenetelmää hapen korvaamiseen. Tämä voisi olla hyödyllistä uusille välineille lääketieteellisessä diagnostiikassa, saasteiden seurannassa ja syvän avaruuden tutkimuksessa.

Tulevaisuus bio-sähköstä: mitä tämä merkitsee bioteknologialle

Silti hyvin vähän tiedetään mikrobien, jopa bakteerien, monimutkaisista biokemiallisista kyvyistä, vaikka niitä on tutkittu ja “ymmärretty” E. colin, mikrobiologien yleisesti käytetyn laboratoriomallin, avulla.

Tämä avaa mielenkiintoisia ideoita siitä, miten uudet löydökset elektrobiologiasta voitaisiin hyödyntää parempien ratkaisujen suunnittelussa akuilla, sensoreilla, saasteiden hallinnassa, biotuotannossa ym.

Todennäköisesti tämä voitaisiin toteuttaa jäljittelemällä keinotekoisesti E. colin käyttämää prosessia, joka on tänään selitetty.

Tässä yhteydessä keinotekoiset proteiinit tai vastaavat molekyylit voisivat suorittaa elektroninsiirron hallitulla ja ennustettavalla tavalla.

Sijoittaminen synteettiseen biologiaan

Ginkgo Bioworks

Yritys tuottaa tilauksesta organismeja erityistarkoituksiin, mukaan lukien biolääketieteelliset sovellukset sekä teollisuus- ja materiaalitieteen ohjelmat.

Sillä on myös suuri bio­turvallisuussegmentti, joka kukoisti pandemian aikana. Useimmissa tapauksissa jonkinlainen ohjattu evoluutio käytetään Ginkgon tuotteiden tuotannossa ja valinnassa, samoin kuin edistynyt geenitekniikka.

Ginkgo Bioworks (DNA ) on monipuolistanut sovelluksiaan laajasti monien tutkimusohjelmien ja kumppanuuksien avulla:

• Kannabinoidit
• Ohjelmoitavat mikrobit suolistosairauksia varten
• Microplastien bioremediointi
• Jätteiden ja kontaminaatioiden kierrätys

Se ansaitsee rahaa saamalla ensin ennakkomaksun kehitysprosessista ja myöhemmin rojaltit valmiista tuotteesta.

Ginkgon kumppanuudet laajenevat jatkuvasti, mukana:

• Kasvava kumppanuus Novo Nordiskin kanssa.
• Kumppanuus japanilaisen kauppayhtiön Sojitz Corporationin kanssa.
• DARPA-rahoitus uusille proteiineille, jotka hallitsevat jäätä äärimmäisissä kylmissä olosuhteissa.
• $331 M sopimus Pfizerin kanssa.
• $490 M sopimus Merckin kanssa biologisten tuotteiden valmistuksen optimoimiseksi.
• $406 M sopimus Boehringer Ingelheimin kanssa kohteisiin, joihin ei ole lääkkeitä.

Ginkgo Bioworks tekee myös yhteistyötä kaikkien suurten maatalousyritysten kanssa, joista useimmilla on kiinnostusta biopolttoaineiden tuotantoon ja mikrobiologiaan. Joitakin näistä ovat Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta ja muita.

Ginkgon kokemus räätälöidyistä geneettisten sekvenssien, organismien ja valintojen suunnittelusta sekä bio­turvallisuuden valvonnasta tekee siitä keskeisen toimittajan kaikille teollisuudenaloille, jotka haluavat hyödyntää entsyymejä ja vasta-aineita omiin sovelluksiinsa.

Palveluntarjoajana Gingko on hyvin asemoitu hyödyntämään koko alan kasvua.

Sen liiketoimintamalli kehittyy, ja tulevaisuudessa on useita mahdollisia vaihtoehtoja. Yksi niistä voisi olla siirtyminen enemmän laitteistokeskeiseen suuntaan, mikä on jo aloitettu myymällä automatisoituja laboratorioita tutkijoille, sen jälkeen kun ne olivat pitkälti toimineet suoraan.

Toinen vaihtoehto voisi olla Ginkgon aloittaa laajempi sopimusvalmistus biotuotteille mittakaavassa. Sen asiantuntemus biosciencesissa, laboratoriolaitteiden suunnittelussa ja tuotannon optimoinnissa suuryrityksille kuten Merck, antaa sille vakavat perusteet menestyä tällä polulla.

Lopuksi on myös huomattava, että yrityksen omaisuus, kuten esimerkiksi miljardit dollarit automatisoiduissa märkälaboratorioissa, on nykyisessä markkina-arvossa voimakkaasti aliarvostettu.

Voit myös lukea lisätietoja Ginkgo Bioworksista omassa sijoitusraportissa, joka on omistettu yhtiölle.

Gingko Bioworks -osakkeen uutiset ja viimeisimmät kehitykset

Tutkimusviite:

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