E. coli respirant l’électricité pourrait alimenter le futur de la biotechnologie

E. coli utilise l’électricité pour respirer: Découverte révolutionnaire expliquée

En théorie, la différence entre une machine fabriquée par l’homme et la biologie est assez claire. Nos inventions fonctionnent principalement à l’électricité, tandis que la vie, des bactéries aux humains, repose sur des réactions chimiques. Cependant, il se pourrait que cette différence ne soit pas aussi nette que nous le supposions auparavant.

Des chercheurs de l’Université Rice, de l’Université de Californie et du Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ont découvert qu’une bactérie courante dans nos intestins utilise l’électricité pour « respirer », au lieu d’utiliser l’oxygène, dans un processus appelé respiration extracellulaire.

« Notre recherche résout non seulement un mystère scientifique de longue date, mais elle indique également une nouvelle stratégie de survie potentiellement répandue dans la nature. »

Ajo-Franklin – Professeur de biosciences

Cela pourrait avoir des applications au-delà de la recherche biologique, car le processus imite la façon dont les batteries libèrent le courant électrique.

Leurs résultats ont été publiés dans la prestigieuse revue scientifique Cell, sous le titre « Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli ».

Comprendre la respiration et le transfert d’électrons chez les microbes

En essence, la respiration est un processus électrique, ou plus précisément, électrochimique. Elle prend des molécules énergétiques et transfère des électrons le long d’une chaîne protéique complexe jusqu’à transformer l’oxygène en eau, en y ajoutant un ion hydrogène (H+) et un électron (e‑).

Mais rien n’oblige ce processus à n’utiliser que l’oxygène. Par exemple, c’est ce qui se passe lors de la fermentation, mais c’est un processus beaucoup moins efficace que la respiration, ou réaction d’oxydation, en raison de l’absence d’oxydation finale.

En théorie, tout accepteur final d’électrons peut fonctionner pour la respiration et être similaire à la respiration à base d’oxygène, bien qu’en pratique, ce ne soit pas du tout simple.

Comment E. coli remplace l’oxygène grâce à la respiration extracellulaire

C’est exactement ce que les chercheurs ont découvert. La bactérie Escherichia coli peut utiliser des composés appelés naphtoquinones pour transférer des électrons vers des surfaces externes.

Ce processus de respiration extracellulaire était connu depuis de nombreuses années, mais c’est la première fois que son mode de fonctionnement est expliqué.

« Ce mécanisme récemment découvert de respiration est une façon simple et ingénieuse d’accomplir la tâche. 

Les naphtoquinones agissent comme des coursiers moléculaires, transportant les électrons hors de la cellule afin que les bactéries puissent décomposer la nourriture et générer de l’énergie. »

Biki Bapi Kundu – doctorant à Rice

Ainsi, au lieu de respirer de l’oxygène, les bactéries peuvent « respirer » en oxydant les matériaux environnants en les faisant accepter les électrons excédentaires.

Cela suggère qu’en plus de la respiration normale et de la fermentation, il s’agit d’une troisième méthode pour les bactéries de traiter la nourriture et de générer de l’énergie.

Expériences basées sur des électrodes confirment l’utilisation d’électricité par les bactéries

Grâce à la modélisation informatique, les simulations ont révélé que les bactéries pouvaient se maintenir en déchargeant des électrons à l’extérieur.

Les chercheurs ont ensuite tenté de cultiver les bactéries sur une zone riche en surface conductrice, comme une électrode capable de recevoir les électrons transférés par les naphtoquinones.

Des tests en laboratoire supplémentaires ont confirmé que les bactéries placées sur des matériaux conducteurs continuaient de croître et de générer de l’électricité, respirant effectivement à travers la surface. Les bactéries ont également subi un changement massif de leur fonction métabolique et de leur expression génétique lorsqu’elles sont passées à la respiration extracellulaire.

Applications de l’électricité bactérienne dans les technologies propres et la biotechnologie

Les électrons qui entraînent des réactions chimiques et l’oxydation sont à la base de certaines des réactions chimiques les plus importantes, y compris de nombreuses réactions d’intérêt majeur pour les technologies propres.

Notamment, la fixation du dioxyde de carbone pourrait être facilitée par ce processus, avec des techniques exploitant des bactéries comme E. coli au lieu des plantes pour capturer le carbone.

« Notre travail jette les bases de l’exploitation du dioxyde de carbone grâce à l’électricité renouvelable, où les bactéries fonctionnent de manière similaire aux plantes avec la lumière du soleil dans la photosynthèse. 

Il ouvre la porte à la construction de technologies plus intelligentes et plus durables avec la biologie au cœur. »

Ajo-Franklin – Professeur de biosciences

Les processus biotechnologiques tels que le traitement des eaux usées et la bioproduction pourraient être considérablement améliorés grâce à une meilleure gestion des déséquilibres électroniques. Les bactéries qui expirent de l’électricité pourraient être ajoutées à ces opérations et corriger ces déséquilibres pour maintenir les systèmes en fonctionnement efficace.

Une autre application potentielle pourrait être les capteurs bioélectroniques dans des environnements privés d’oxygène, utilisant cette méthode de transfert d’électrons pour remplacer l’oxygène. Cela pourrait être utile pour de nouveaux outils de diagnostic médical, de surveillance de la pollution et d’exploration spatiale lointaine.

Avenir de la bioélectricité: Ce que cela signifie pour la biotechnologie

Pourtant, très peu de choses sont comprises concernant les capacités biochimiques complexes des microbes, même des bactéries, étudiées et « comprises » comme E. coli, un modèle de laboratoire courant pour les microbiologistes.

Cela ouvre des idées intéressantes sur la façon dont de nouvelles découvertes en électrobiologie pourraient être utilisées pour concevoir de meilleures solutions pour les batteries, les capteurs, la gestion de la pollution, la bioproduction, etc.

Il est très probable que cela puisse être réalisé en reproduisant artificiellement le processus utilisé par E. coli et enfin expliqué aujourd’hui.

Dans ce contexte, des protéines artificielles ou des molécules similaires pourraient effectuer le transfert d’électrons de manière contrôlée et prévisible.

Investir dans la biologie synthétique

Ginkgo Bioworks

L’entreprise produit des organismes à la demande pour des applications spécifiques, y compris des applications biomédicales et des programmes de sciences industrielles et des matériaux.

Elle possède également un important segment de biosécurité, qui a prospéré pendant la pandémie. Dans la plupart des cas, une forme d’évolution dirigée est utilisée dans la production et la sélection des produits de Ginkgo, ainsi que l’ingénierie génétique avancée.

Ginkgo Bioworks (DNA ) a diversifié largement ses applications avec de nombreux programmes de recherche et partenariats:

• Cannabinoïdes
• Microbes programmables pour les maladies intestinales
• Bioremédiation des microplastiques
• Recyclage des déchets et des contaminants

Elle génère des revenus en étant payée d’abord à l’avance pour le processus de développement, puis via des redevances sur le produit fini.

Les partenariats de Ginkgo s’étendent constamment, avec:

• Un partenariat croissant avec Novo Nordisk.
• Un partenariat avec la société commerciale japonaise Sojitz Corporation.
• Un financement DARPA pour des protéines novatrices afin de contrôler la glace dans des environnements de froid extrême.
• Un accord de 331 M$ avec Pfizer.
• Un accord de 490 M$ avec Merck pour optimiser la fabrication de produits biologiques.
• Un accord de 406 M$ avec Boehringer Ingelheim pour des cibles indrugables.

Ginkgo Bioworks collabore également avec toutes les grandes entreprises agricoles, dont la plupart ont des intérêts dans la production de biocarburants et la microbiologie. Parmi elles figurent Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta, et d’autres.

L’expérience de Ginkgo en conception sur mesure de séquences génétiques, d’organismes et de sélection, ainsi qu’en surveillance de la biosécurité, en fait un fournisseur clé pour chaque industrie cherchant à exploiter des enzymes et des anticorps pour leurs applications spécifiques.

En tant que prestataire de services, Ginkgo est bien positionnée pour capitaliser sur la croissance de l’industrie dans son ensemble.

Son modèle économique évolue, avec plusieurs options possibles pour l’avenir. L’une d’elles pourrait être un virage vers une direction davantage axée sur le matériel, déjà amorcé par la vente de laboratoires automatisés aux chercheurs, après avoir principalement exploité ces installations en interne.

Une autre option pourrait être que Ginkgo commence davantage de fabrication sous contrat de bioproduits à grande échelle. Son expertise en biosciences, conception de matériel de laboratoire et optimisation de la production pour des géants comme Merck lui confère de solides références pour réussir sur cette voie.

Enfin, il convient également de noter que les actifs de l’entreprise, comme par exemple des milliards de dollars de laboratoires humides automatisés, sont fortement sous-évalués à la capitalisation boursière actuelle.

Vous pouvez également lire plus de détails sur Gingko Bioworks dans le rapport d’investissement dédié à l’entreprise.

Actualités boursières de Gingko Bioworks et dernières évolutions

Référence de l’étude:

1. Biki Bapi Kundu, et al. (2025) La respiration extracellulaire est un métabolisme énergétique latent chez Escherichia coli. Cell. 10 avril 2025.

capitalisation. Vous pouvez également lire plus de détails sur Gingko Bioworks dans le rapport d’investissement dédié à l’entreprise. Actualités boursières de Gingko Bioworks et dernières évolutions Référence de l’étude: Biki Bapi Kundu, et al. (2025) La respiration extracellulaire est un métabolisme énergétique latent chez Escherichia coli. Cell. 10 avril 2025.