बिजली-श्वास करने वाला ई. कोलाई भविष्य की बायोटेक्नोलॉजी को शक्ति दे सकता है

E. coli बिजली का उपयोग करके सांस लेता है: ब्रेकथ्रू खोज की व्याख्या

सिद्धांत में, मानव निर्मित मशीन और जीव विज्ञान के बीच का अंतर काफी स्पष्ट है। हमारे आविष्कार मुख्यतः बिजली पर चलते हैं, जबकि जीवन, बैक्टीरिया से लेकर मनुष्यों तक, रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर निर्भर करता है। हालांकि, यह संभव है कि यह अंतर पहले जितना स्पष्ट नहीं हो।

राइस यूनिवर्सिटी, यूनिवर्सिटी ऑफ कैलिफोर्निया और नोवो नॉर्डिस्क फाउंडेशन सेंटर फॉर बायोसस्टेनेबिलिटी के शोधकर्ताओं ने पाया है कि हमारे आंतों में सामान्य रूप से पाई जाने वाली एक बैक्टीरिया इलेक्ट्रॉनिक श्वसन नामक प्रक्रिया में ऑक्सीजन के बजाय “बिजली” का उपयोग करके “सांस” ले रही है।

“हमारा शोध न केवल एक दीर्घकालिक वैज्ञानिक रहस्य को सुलझाता है, बल्कि यह प्रकृति में एक नई और संभावित रूप से व्यापक जीवित रहने की रणनीति की ओर इशारा करता है।”

Ajo-Franklin – बायोसाइंसेस प्रोफेसर

यह प्रक्रिया जैविक अनुसंधान से परे भी उपयोगी हो सकती है, क्योंकि यह बैटरियों के विद्युत धारा को डिस्चार्ज करने के तरीके की नकल करती है।

उनकी खोजें प्रतिष्ठित वैज्ञानिक जर्नल सेल में प्रकाशित हुईं, शीर्षक के तहत “Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli”।

सूक्ष्मजीवों में श्वसन और इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर को समझना

मूल रूप से, श्वसन एक विद्युत प्रक्रिया है, या अधिक सटीक रूप से, एक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया। यह ऊर्जा युक्त अणुओं को लेता है और जटिल प्रोटीन श्रृंखला के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करता है, जब तक कि वह ऑक्सीजन को जल में बदल नहीं देता, जिसमें हाइड्रोजन आयन (H+) और इलेक्ट्रॉन (e-) जोड़ता है।

लेकिन कुछ भी इस प्रक्रिया को केवल ऑक्सीजन तक सीमित नहीं करता। उदाहरण के तौर पर, किण्वन के दौरान यही होता है, लेकिन यह श्वसन या ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया की तुलना में बहुत कम कुशल प्रक्रिया है, क्योंकि अंतिम ऑक्सीकरण नहीं होता।

सिद्धांत में, इलेक्ट्रॉनों का कोई भी अंतिम स्वीकर्ता श्वसन के लिए काम कर सकता है, और ऑक्सीजन-आधारित श्वसन के समान हो सकता है, हालांकि व्यावहारिक रूप से यह बहुत सरल नहीं है।

E. coli कैसे बाह्यकोशिकीय श्वसन द्वारा ऑक्सीजन को बदलता है

यही वह खोज है जो शोधकर्ताओं ने की। बैक्टीरिया एशेरिशिया कोलाई नाफ्थोक्विनोन्स नामक यौगिकों का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को बाहरी सतहों तक पहुंचा सकता है।

यह बाह्यकोशिकीय श्वसन प्रक्रिया कई वर्षों से ज्ञात थी, लेकिन यह पहली बार है जब इसके कार्य करने के तरीके की व्याख्या की गई है।

“यह नई खोजी गई श्वसन तंत्र एक सरल और चतुर तरीका है काम पूरा करने का।

नाफ्थोक्विनोन्स अणु कोरियर की तरह कार्य करते हैं, जो इलेक्ट्रॉनों को कोशिका से बाहर ले जाते हैं ताकि बैक्टीरिया भोजन को तोड़कर ऊर्जा उत्पन्न कर सके।”

Biki Bapi Kundu – राइस के डॉक्टरेट छात्र

इसलिए ऑक्सीजन के बजाय, बैक्टीरिया आसपास की सामग्री के ऑक्सीकरण के माध्यम से “सांस” ले सकते हैं, उन्हें अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करने के लिए प्रेरित करके।

यह संकेत देता है कि सामान्य श्वसन और किण्वन के अलावा, यह बैक्टीरिया के लिए भोजन को संसाधित करने और ऊर्जा उत्पन्न करने की तीसरी विधि है।

इलेक्ट्रोड-आधारित प्रयोगों ने बैक्टीरियल बिजली उपयोग की पुष्टि की

कंप्यूटर मॉडलिंग का उपयोग करके, सिमुलेशन ने दिखाया कि बैक्टीरिया बाहरी रूप से इलेक्ट्रॉनों को डिस्चार्ज करके स्वयं को बनाए रख सकते हैं।

शोधकर्ताओं ने फिर बैक्टीरिया को एक ऐसी सतह पर उगाने की कोशिश की जो चालक हो, जैसे कि एक इलेक्ट्रोड जो नाफ्थोक्विनोन्स द्वारा स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त कर सके।

आगे के प्रयोगशाला परीक्षणों ने पुष्टि की कि चालक पदार्थों पर रखे गए बैक्टीरिया बढ़ते रहे और बिजली उत्पन्न करते रहे, प्रभावी रूप से सतह के माध्यम से सांस लेते रहे। बैक्टीरिया ने अपने चयापचय कार्य और जीन अभिव्यक्ति में भी बड़े परिवर्तन देखे जब उन्होंने बाह्यकोशिकीय श्वसन में परिवर्तन किया।

साफ़ तकनीक और बायोटेक में बैक्टीरियल बिजली के अनुप्रयोग

इलेक्ट्रॉनों द्वारा रासायनिक प्रतिक्रियाओं और ऑक्सीकरण को चलाना कुछ सबसे महत्वपूर्ण रासायनिक प्रतिक्रियाओं का आधार है, जिसमें कई ऐसी प्रतिक्रियाएँ शामिल हैं जो साफ़ तकनीकों के लिए प्रमुख रुचि रखती हैं।

विशेष रूप से, इस प्रक्रिया से कार्बन डाइऑक्साइड की फिक्सेशन में मदद मिल सकती है, जहाँ पौधों के बजाय ई. कोलाई जैसी बैक्टीरिया का उपयोग करके कार्बन को पकड़ने की तकनीकें लागू की जा रही हैं।

“हमारा कार्य नवीकरणीय बिजली के माध्यम से कार्बन डाइऑक्साइड को नियंत्रित करने की नींव रखता है, जहाँ बैक्टीरिया प्रकाशसंश्लेषण में पौधों की तरह कार्य करते हैं।

यह बायोलॉजी को मूल में रखकर अधिक स्मार्ट और सतत तकनीकों के निर्माण का द्वार खोलता है।”

Ajo-Franklin – बायोसाइंसेस प्रोफेसर

जैव प्रौद्योगिकी प्रक्रियाएँ जैसे अपशिष्ट जल उपचार और बायोमैन्युफैक्चरिंग इलेक्ट्रॉन असंतुलन के बेहतर प्रबंधन से काफी सुधर सकती हैं। बिजली-उत्सर्जित बैक्टीरिया को इन संचालन में जोड़ा जा सकता है और इन असंतुलनों को ठीक करके सिस्टम को कुशलता से चलाया जा सकता है।

एक अन्य संभावित अनुप्रयोग ऑक्सीजन-रहित वातावरण में बायोइलेक्ट्रॉनिक सेंसर हो सकता है, जहाँ इस इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर विधि का उपयोग करके ऑक्सीजन को बदल दिया जाता है। यह चिकित्सा निदान, प्रदूषण निगरानी और गहरी अंतरिक्ष अन्वेषण के नए उपकरणों के लिए उपयोगी हो सकता है।

बायोइलेक्ट्रिसिटी का भविष्य: बायोटेक्नोलॉजी के लिए इसका क्या अर्थ है

फिर भी, माइक्रोब्स की जटिल जैव रासायनिक क्षमताओं के बारे में बहुत कम समझा गया है, यहाँ तक कि बैक्टीरिया भी, जिन्हें माइक्रोबायोलॉजिस्ट अक्सर प्रयोगशाला मॉडल के रूप में E. coli के रूप में अध्ययन और “समझते” हैं।

यह इलेक्ट्रोबायोलॉजी के आसपास नई खोजों को बैटरियों, सेंसरों, प्रदूषण प्रबंधन, बायोमैन्युफैक्चरिंग आदि के लिए बेहतर समाधान डिजाइन करने में उपयोग करने के रोचक विचार खोलता है।

संभवतः, इसे E. coli द्वारा उपयोग किए गए प्रक्रिया को कृत्रिम रूप से दोहराकर और आज समझाए गए तरीके से किया जा सकता है।

उस संदर्भ में, कृत्रिम प्रोटीन या समान अणु इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर को नियंत्रित और पूर्वानुमेय तरीके से कर सकते हैं।

सिंथेटिक बायोलॉजी में निवेश

Ginkgo Bioworks

कंपनी विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए ऑन-डिमांड जीवों का उत्पादन कर रही है, जिसमें बायोमेडिकल अनुप्रयोग और औद्योगिक एवं सामग्री विज्ञान कार्यक्रम शामिल हैं।

इसमें एक बड़ा बायोसेक्योरिटी सेक्शन भी है, जो महामारी के दौरान तेजी से बढ़ा। अधिकांश मामलों में, गिंको के उत्पादों के उत्पादन और चयन में निर्देशित विकास का कोई न कोई रूप उपयोग किया जाता है, साथ ही उन्नत जीन अभियांत्रिकी भी।

Ginkgo Bioworks (DNA ) ने कई शोध कार्यक्रमों और साझेदारियों के साथ अपने अनुप्रयोगों को व्यापक रूप से विविध किया है:

• कैनाबिनॉइड्स
• आंत रोगों के लिए प्रोग्रामेबल माइक्रोब्स
• माइक्रोप्लास्टिक बायोरिमेडिएशन
• कचरा और प्रदूषकों का पुनर्चक्रण

यह विकास प्रक्रिया के लिए अग्रिम भुगतान प्राप्त करके और फिर तैयार उत्पाद पर रॉयल्टी लेकर पैसा कमाता है।

Gingko की साझेदारियां लगातार विस्तार कर रही हैं, जिसमें:

• नोवो नॉर्डिस्क के साथ बढ़ती साझेदारी।
• जापानी ट्रेडिंग कंपनी सोजिट्ज़ कॉरपोरेशन के साथ साझेदारी।
• अत्यधिक ठंडे मौसम में बर्फ को नियंत्रित करने के लिए नवीन प्रोटीन के लिए DARPA फंडिंग।
• $331 मिलियन का Pfizer के साथ समझौता।
• $490 मिलियन का Merck के साथ बायोलॉजिक निर्माण को अनुकूलित करने का समझौता।
• $406 मिलियन का Boehringer Ingelheim के साथ अ-ड्रग्गेबल लक्ष्यों के लिए समझौता।

Ginkgo Bioworks सभी प्रमुख कृषि कंपनियों के साथ भी साझेदारी करता है, जिनमें से अधिकांश का बायोफ्यूल उत्पादन और माइक्रोबायोलॉजी में कुछ रुचि है। इनमें कुछ हैं Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta, और अन्य।

जीन अनुक्रम, जीवों और चयन के कस्टम डिज़ाइन में गिंको का अनुभव, साथ ही बायोसेक्योरिटी मॉनिटरिंग में, इसे उन सभी उद्योगों के लिए प्रमुख प्रदाता बनाता है जो अपने विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए एंजाइम और एंटीबॉडी का उपयोग करना चाहते हैं।

सेवा प्रदाता के रूप में, गिंको पूरे उद्योग की वृद्धि का लाभ उठाने के लिए अच्छी स्थिति में है।

इसका व्यवसाय मॉडल विकसित हो रहा है, भविष्य के लिए कई संभावित विकल्पों के साथ। एक विकल्प अधिक हार्डवेयर-केंद्रित दिशा में बदलाव हो सकता है, जो पहले ही स्वचालित प्रयोगशालाओं को शोधकर्ताओं को बेचकर शुरू किया गया है, जबकि पहले ये सुविधाएँ सीधे संचालित की जाती थीं।

एक अन्य विकल्प यह हो सकता है कि गिंको बड़े पैमाने पर बायोप्रोडक्ट्स का अनुबंध निर्माण शुरू करे। बायोसाइंसेस, लैब हार्डवेयर डिज़ाइन, और Merck जैसे दिग्गजों के लिए उत्पादन अनुकूलन में इसकी विशेषज्ञता इसे इस मार्ग में सफल होने के लिए गंभीर प्रमाणपत्र देती है।

अंत में, यह भी उल्लेखनीय है कि कंपनी की संपत्तियां, जैसे कि स्वचालित वेट लैब्स में अरबों डॉलर, वर्तमान बाजार पूंजीकरण पर बहुत कम मूल्यांकित हैं।

आप कंपनी के समर्पित निवेश रिपोर्ट में Gingko Bioworks के बारे में अधिक विवरण भी पढ़ सकते हैं।

Gingko Bioworks स्टॉक समाचार और नवीनतम विकास

अध्ययन संदर्भ:

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