E. coli che respira elettricità potrebbe alimentare il futuro della biotecnologia

E. coli usa l’elettricità per respirare: Scoperta rivoluzionaria spiegata

In teoria, la differenza tra una macchina artificiale e la biologia è piuttosto chiara. Le nostre invenzioni funzionano principalmente con l’elettricità, mentre la vita, dai batteri agli esseri umani, si basa su reazioni chimiche. Tuttavia, potrebbe non essere così netta come avevamo precedentemente supposto.

Ricercatori della Rice University, dell’University of California e del Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability hanno scoperto che un batterio comune nel nostro intestino utilizza l’elettricità per “respirare”, invece dell’ossigeno, in un processo chiamato respirazione extracellulare.

“La nostra ricerca non solo risolve un mistero scientifico di lunga data, ma indica anche una nuova e potenzialmente diffusa strategia di sopravvivenza in natura.”

Ajo-Franklin – Professore di Bioscienze

Ciò potrebbe avere applicazioni oltre la ricerca biologica, poiché il processo imita il modo in cui le batterie scaricano corrente elettrica.

I loro risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Cell, con il titolo “Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli”.

Comprendere la respirazione e il trasferimento di elettroni nei microrganismi

Nel suo nucleo, la respirazione è un processo elettrico, o più precisamente, elettrochimico. Essa prende molecole energetiche e trasferisce elettroni lungo una complessa catena proteica fino a trasformare l’ossigeno in acqua, aggiungendovi ioni di idrogeno (H+) ed elettroni (e-).

Ma nulla costringe questo processo a utilizzare esclusivamente l’ossigeno. Per esempio, è ciò che avviene durante la fermentazione, ma è un processo molto meno efficiente rispetto alla respirazione, o reazione di ossidazione, poiché non avviene un’ossidazione finale.

In teoria, qualsiasi accettore finale di elettroni può funzionare per la respirazione e essere simile alla respirazione basata sull’ossigeno, sebbene nella pratica sia tutt’altro che semplice.

Come E. coli sostituisce l’ossigeno usando la respirazione extracellulare

Questo è esattamente ciò che i ricercatori hanno scoperto. Il batterio Escherichia coli può utilizzare composti chiamati naftochinoni per trasferire elettroni a superfici esterne.

Questo processo di respirazione extracellulare era noto da molti anni, ma è la prima volta che viene spiegato il suo funzionamento.

“Questo meccanismo di respirazione appena scoperto è un modo semplice e ingegnoso per svolgere il compito.

I naftochinoni agiscono come corrieri molecolari, trasportando elettroni fuori dalla cellula affinché i batteri possano degradare il cibo e generare energia.”

Biki Bapi Kundu – dottorando presso Rice

Quindi, invece di respirare ossigeno, i batteri possono “respirare” attraverso l’ossidazione dei materiali circostanti facendoli accettare gli elettroni in eccesso.

Ciò suggerisce che, oltre alla respirazione normale e alla fermentazione, questo è un terzo metodo per i batteri di elaborare il cibo e generare energia.

Esperimenti basati su elettrodi confermano l’uso dell’elettricità da parte dei batteri

Utilizzando la modellazione al computer, le simulazioni hanno rivelato che i batteri potrebbero sostenersi scaricando elettroni all’esterno.

I ricercatori hanno poi tentato di coltivare i batteri su una zona ricca di superficie conduttiva, come un elettrodo in grado di ricevere gli elettroni trasferiti dai naftochinoni.

Ulteriori test di laboratorio hanno confermato che i batteri posti su materiali conduttivi continuavano a crescere e a generare elettricità, respirando efficacemente attraverso la superficie. I batteri hanno anche subito un cambiamento massiccio nella loro funzione metabolica e nell’espressione genetica passando alla respirazione extracellulare.

Applicazioni dell’elettricità batterica nelle tecnologie pulite e nella biotecnologia

Gli elettroni che guidano reazioni chimiche e ossidazioni sono alla base di alcune delle più importanti reazioni chimiche, incluse molte di grande interesse per le tecnologie pulite.

In particolare, la fissazione dell’anidride carbonica potrebbe essere favorita da questo processo, con tecniche che sfruttano batteri come E. coli invece delle piante per catturare il carbonio.

“Il nostro lavoro pone le basi per sfruttare l’anidride carbonica tramite elettricità rinnovabile, dove i batteri funzionano in modo simile alle piante con la luce solare nella fotosintesi.

Apri la porta alla costruzione di tecnologie più intelligenti e sostenibili con la biologia al centro.”

Ajo-Franklin – Professore di Bioscienze

Processi biotecnologici come il trattamento delle acque reflue e la bioproduzione potrebbero essere notevolmente migliorati mediante una migliore gestione degli squilibri elettronici. I batteri che espirano elettricità potrebbero essere aggiunti a queste operazioni e correggere tali squilibri per mantenere i sistemi efficienti.

Un’altra possibile applicazione potrebbe essere rappresentata da sensori bioelettronici in ambienti privi di ossigeno, utilizzando questo metodo di trasferimento di elettroni per sostituire l’ossigeno. Ciò potrebbe essere utile per nuovi strumenti di diagnostica medica, monitoraggio dell’inquinamento e esplorazione dello spazio profondo.

Futuro della bioelettricità: Cosa significa per la biotecnologia

Tuttavia, si conosce ancora molto poco delle complesse capacità biochimiche dei microrganismi, anche dei batteri, studiati e “compresi” come E. coli, modello di laboratorio comune per i microbiologi.

Ciò apre interessanti idee su come le nuove scoperte nell’elettrobiologia possano essere utilizzate per progettare soluzioni migliori per batterie, sensori, gestione dell’inquinamento, bioproduzione, ecc.

Molto probabilmente, ciò potrebbe essere realizzato replicando artificialmente il processo usato da E. coli e finalmente spiegato oggi.

In questo contesto, proteine artificiali o molecole simili potrebbero effettuare il trasferimento di elettroni in modo controllato e prevedibile.

Investire nella biologia sintetica

Ginkgo Bioworks

L’azienda produce organismi su richiesta per applicazioni specifiche, inclusi applicazioni biomediche e programmi di scienze industriali e dei materiali.

Ha anche un ampio segmento di biosicurezza, che è fiorito durante la pandemia. Nella maggior parte dei casi, qualche forma di evoluzione diretta è utilizzata nella produzione e selezione dei prodotti di Ginkgo, così come l’ingegneria genetica avanzata.

Ginkgo Bioworks (DNA ) ha diversificato ampiamente le sue applicazioni con numerosi programmi di ricerca e partnership:

• Cannabinoidi
• Microbi programmabili per malattie intestinali
• Biorisanamento della microplastica
• Riciclo di rifiuti e contaminanti

Guadagna ricevendo prima un pagamento anticipato per il processo di sviluppo e poi tramite royalties sul prodotto finito.

Le partnership di Ginkgo si stanno costantemente espandendo, con:

• Una partnership in crescita con Novo Nordisk.
• Una partnership con la società commerciale giapponese Sojitz Corporation.
• Finanziamento DARPA per proteine innovative per controllare il ghiaccio in ambienti di freddo estremo.
• Un accordo da 331 milioni di dollari con Pfizer.
• Un accordo da 490 milioni di dollari con Merck per ottimizzare la produzione di biologici.
• Un accordo da 406 milioni di dollari con Boehringer Ingelheim per bersagli non farmacologicamente trattabili.

Ginkgo Bioworks collabora anche con tutte le principali società agricole, la maggior parte delle quali ha interessi nella produzione di biocarburanti e nella microbiologia. Alcune di queste includono Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta e altre.

L’esperienza di Ginkgo nella progettazione personalizzata di sequenze genetiche, organismi e selezione, così come nel monitoraggio della biosicurezza, lo rende un fornitore chiave per ogni settore che desidera sfruttare enzimi e anticorpi per la propria applicazione specifica.

Come fornitore di servizi, Ginkgo è ben posizionato per capitalizzare la crescita dell’intero settore.

Il suo modello di business sta evolvendo, con diverse possibili opzioni per il futuro. Una potrebbe essere un passaggio verso una direzione più incentrata sull’hardware, qualcosa già avviato dalla vendita di laboratori automatizzati ai ricercatori, dopo aver gestito principalmente queste strutture direttamente.

Un’altra opzione potrebbe essere che Ginkgo inizi una maggiore produzione contrattuale di bioprodotti su larga scala. La sua esperienza in bioscienze, progettazione di hardware per laboratori e ottimizzazione della produzione per giganti come Merck le conferisce credenziali solide per avere successo in questo percorso.

Infine, va anche notato che le attività dell’azienda, come ad esempio miliardi di dollari in laboratori umidi automatizzati, sono fortemente scontate rispetto alla capitalizzazione di mercato attuale.

Puoi anche leggere ulteriori dettagli su Ginkgo Bioworks nel rapporto di investimento dedicato all’azienda.

Notizie azionarie di Ginkgo Bioworks e ultimi sviluppi

Riferimento allo studio:

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