Elektriciteit‑ademende E. coli zou de toekomst van biotechnologie kunnen aandrijven

E. coli gebruikt elektriciteit om te ademen: Doorbraakontdekking uitgelegd

In theorie is het verschil tussen een door de mens gemaakte machine en de biologie vrij duidelijk. Onze uitvindingen werken meestal op elektriciteit, terwijl het leven, van bacteriën tot mensen, draait op chemische reacties. Het kan echter zijn dat het verschil niet zo eenduidig is als we eerder aannamen.

Onderzoekers van Rice University, University of California en het Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability hebben ontdekt dat een bacterie die veel voorkomt in ons darmstelsel elektriciteit gebruikt om te “ademen”, in plaats van zuurstof, in een proces dat extracellulaire ademhaling wordt genoemd.

“Ons onderzoek lost niet alleen een langdurig wetenschappelijk mysterie op, maar wijst ook op een nieuwe en potentieel wijdverspreide overlevingsstrategie in de natuur.”

Ajo-Franklin – Professor Biosciences

Dit zou toepassingen kunnen hebben buiten biologisch onderzoek, aangezien het proces nabootst hoe batterijen elektrische stroom afgeven.

Hun bevindingen werden gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Cell, onder de titel “Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli”.

Begrijpen van ademhaling en elektronenoverdracht bij microben

In de kern is ademhaling een elektrisch proces, of preciezer, een elektrochemisch proces. Het neemt energierijke moleculen en transporteert elektronen langs een complexe eiwitketen totdat het zuurstof omzet in water, door er een waterstofion (H+) en een elektron (e-) aan toe te voegen.

Maar niets dwingt dit proces om uitsluitend zuurstof te gebruiken. Bijvoorbeeld, dit gebeurt tijdens fermentatie, maar het is een veel minder efficiënt proces dan ademhaling, of oxidatiereactie, omdat er geen uiteindelijke oxidatie plaatsvindt.

In theorie kan elke uiteindelijke elektronenacceptor werken voor ademhaling, en vergelijkbaar zijn met zuurstofgebaseerde ademhaling, hoewel het in de praktijk verre van eenvoudig is.

Hoe E. coli zuurstof vervangt met behulp van extracellulaire ademhaling

Dit is precies wat de onderzoekers ontdekten. De bacterie Escherichia coli kan verbindingen genaamd naftochinon gebruiken om elektronen over te dragen naar externe oppervlakken.

Dit proces van extracellulaire ademhaling is al jarenlang bekend, maar dit is de eerste keer dat de werking ervan is uitgelegd.

“Dit nieuw ontdekte ademhalingsmechanisme is een eenvoudige en ingenieuze manier om de klus te klaren.

Naftochinonen fungeren als moleculaire koeriers, die elektronen uit de cel vervoeren zodat de bacteriën voedsel kunnen afbreken en energie kunnen genereren.”

Biki Bapi Kundu – een promovendus aan Rice

Dus in plaats van zuurstof te ademen, kan de bacterie “ademen” via de oxidatie van omringende materialen door hen de overtollige elektronen te laten accepteren.

Dit suggereert dat naast normale ademhaling en fermentatie dit een derde methode is voor bacteriën om voedsel te verwerken en energie te genereren.

Elektrode‑gebaseerde experimenten bevestigen het gebruik van elektriciteit door bacteriën

Met behulp van computermodellering toonden de simulaties aan dat bacteriën zichzelf konden onderhouden door elektronen extern af te geven.

De onderzoekers probeerden vervolgens de bacteriën te kweken op een gebied met een geleidend oppervlak, zoals een elektrode die de door de naftochinonen overgedragen elektronen kan ontvangen.

Verdere laboratoriumtests bevestigden dat bacteriën die op geleidend materiaal werden geplaatst, bleven groeien en elektriciteit genereren, effectief ademend via het oppervlak. De bacteriën ondergingen ook een enorme verandering in hun metabolische functie en genexpressie toen ze overschakelden op extracellulaire ademhaling.

Toepassingen van bacteriële elektriciteit in cleantech en biotechnologie

Elektronen die chemische reacties en oxidatie aandrijven vormen de basis van enkele van de belangrijkste chemische reacties, waaronder vele die van groot belang zijn voor cleantechnologieën.

Met name de fixatie van kooldioxide zou door dit proces kunnen worden ondersteund, met technieken die bacteriën zoals E. coli gebruiken in plaats van planten om koolstof vast te leggen.

“Ons werk legt de basis voor het benutten van kooldioxide via hernieuwbare elektriciteit, waarbij bacteriën functioneren vergelijkbaar met planten die zonlicht gebruiken in fotosynthese.

Het opent de deur naar het bouwen van slimmere, duurzamere technologieën met biologie als kern.”

Ajo-Franklin – Professor Biosciences

Biotechnologische processen zoals afvalwaterzuivering en bioproductie zouden aanzienlijk kunnen worden verbeterd door beter beheer van elektronenonevenwichtigheden. Bacteriën die elektriciteit uitademen kunnen aan deze operaties worden toegevoegd en deze onevenwichtigheden corrigeren om de systemen efficiënt te laten draaien.

Een andere potentiële toepassing zou bio‑elektronische sensoren kunnen zijn in zuurstofarme omgevingen, waarbij deze elektronenoverdrachtsmethode wordt gebruikt om zuurstof te vervangen. Dit zou nuttig kunnen zijn voor nieuwe instrumenten voor medische diagnostiek, vervuilingsmonitoring en verkenning van de diepe ruimte.

Toekomst van bio‑elektriciteit: Wat dit betekent voor biotechnologie

Toch is er nog zeer weinig bekend over de complexe biochemische capaciteiten van microben, zelfs bacteriën, die zo bestudeerd en “begrepen” worden als E. coli, een veelgebruikt laboratoriummodel voor microbiologen.

Dit opent interessante ideeën over hoe nieuwe ontdekkingen op het gebied van elektrobiologie kunnen worden gebruikt om betere oplossingen te ontwerpen voor batterijen, sensoren, vervuilingsbeheer, bioproductie, enz.

Het is waarschijnlijk dat dit kan worden bereikt door het proces dat E. coli gebruikt kunstmatig te repliceren, zoals vandaag eindelijk is uitgelegd.

In die context zouden kunstmatige eiwitten of vergelijkbare moleculen de elektronenoverdracht op een gecontroleerde en voorspelbare manier kunnen uitvoeren.

Investeren in synthetische biologie

Ginkgo Bioworks

Het bedrijf produceert op aanvraag organismen voor specifieke toepassingen, waaronder biomedische toepassingen en programma’s voor industriële en materiaalkunde.

Het heeft ook een grote biosecurity‑sectie, die tijdens de pandemie floreerde. In de meeste gevallen wordt een vorm van gerichte evolutie gebruikt bij de productie en selectie van de producten van Ginkgo, evenals geavanceerde genetische engineering.

Ginkgo Bioworks (DNA ) heeft haar toepassingen breed gediversifieerd met vele onderzoeksprogramma’s en partnerschappen:

• Cannabinoids
• Programmeermbare microben voor darmziekten
• Bioremediatie van microplastics
• Recyclen van afval en verontreinigingen

Het verdient geld door eerst vooraf betaald te worden voor het ontwikkelingsproces en vervolgens via royalty’s op het eindproduct.

De partnerschappen van Ginkgo breiden zich voortdurend uit, met:

• Een groeiend partnerschap met Novo Nordisk.
• Een partnerschap met het Japanse handelsbedrijf Sojitz Corporation.
• DARPA-financiering voor nieuwe eiwitten om ijs te beheersen in extreme koude omgevingen.
• Een overeenkomst van $331 M met Pfizer.
• Een overeenkomst van $490 M met Merck om de productie van biologics te optimaliseren.
• Een overeenkomst van $406 M met Boehringer Ingelheim voor ondoelbare doelwitten.

Ginkgo Bioworks werkt ook samen met alle grote landbouwbedrijven, waarvan de meesten interesse hebben in biobrandstofproductie en microbiologie. Enkele hiervan zijn Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta en meer.

De ervaring van Ginkgo met op maat gemaakte ontwerpen van genetische sequenties, organismen en selectie, evenals met biosecurity‑monitoring, maakt het een belangrijke leverancier voor elke industrie die enzymen en antilichamen wil benutten voor hun specifieke toepassing.

Als dienstverlener is Ginkgo goed gepositioneerd om te profiteren van de groei van de sector als geheel.

Het bedrijfsmodel evolueert, met verschillende mogelijke opties voor de toekomst. Eén mogelijkheid is een omschakeling naar een meer hardwaregerichte richting, iets dat al is gestart met de verkoop van geautomatiseerde laboratoria aan onderzoekers, nadat deze voorheen voornamelijk direct werden geëxploiteerd.

Een andere optie zou kunnen zijn dat Ginkgo meer contractproductie van bioproducten op schaal start. Haar expertise in biosciences, laboratoriumhardwareontwerp en optimalisatie van productie voor giganten zoals Merck geeft haar serieuze geloofsbrieven om in dit traject te slagen.

Tot slot moet worden opgemerkt dat de bedrijfsactiva, zoals bijvoorbeeld miljarden dollars aan geautomatiseerde natte laboratoria, sterk ondergewaardeerd zijn bij de huidige marktkapitalisatie.

U kunt ook meer details over Ginkgo Bioworks lezen in het speciale investeringsrapport over het bedrijf.

Gingko Bioworks Aandelennieuws en Laatste Ontwikkelingen

Studieverwijzing:

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