Elektrisitetspustende E. coli kan drive fremtiden for bioteknologi

E. coli bruker elektrisitet til å puste: Banebrytende oppdagelse forklart

I teorien er forskjellen mellom en menneskeskapt maskin og biologi ganske klar. Våre oppfinnelser drives for det meste av elektrisitet, mens livet, fra bakterier til mennesker, drives av kjemiske reaksjoner. Men det kan hende at forskjellen ikke er så entydig som vi tidligere har antatt.

Forskere ved Rice University, University of California og Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability har oppdaget at en bakterie som er vanlig i tarmene våre bruker elektrisitet til å «puste», i stedet for oksygen, i en prosess kalt ekstracellulær respirasjon.

“Vår forskning løser ikke bare et langvarig vitenskapelig mysterium, men peker også på en ny og potensielt utbredt overlevelsesstrategi i naturen.”

Ajo-Franklin – Professor i biosciences

Dette kan ha anvendelser utover biologisk forskning, ettersom prosessen etterligner hvordan batterier frigjør elektrisk strøm.

Resultatene deres ble publisert i det prestisjetunge vitenskapelige tidsskriftet Cell, under tittelen “Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli”.

Forståelse av respirasjon og elektronoverføring i mikrober

I kjernen er respirasjon en elektrisk prosess, eller mer presist, en elektro‑kjemisk prosess. Den tar energirike molekyler og overfører elektroner langs en kompleks proteinkjede til den omdanner oksygen til vann, ved å legge til hydrogenion (H+) og elektron (e-).

Men ingenting tvinger denne prosessen til kun å bruke oksygen. For eksempel er dette hva som skjer under fermentering, men det er en langt mindre effektiv prosess enn respirasjon, eller oksidasjonsreaksjon, på grunn av at ingen sluttoksidasjon forekommer.

I teorien kan enhver endelig elektronakseptor fungere for respirasjon, og være lik oksygenbasert respirasjon, selv om det i praksis er langt fra enkelt.

Hvordan E. coli erstatter oksygen ved hjelp av ekstracellulær respirasjon

Dette er akkurat det forskerne oppdaget. Bakterien Escherichia coli kan bruke forbindelser kalt naftokvinner for å overføre elektroner til eksterne overflater.

Denne ekstracellulære respirasjonsprosessen har vært kjent i mange år, men dette er første gang måten den fungerer på har blitt forklart.

“Dette nyoppdagede respirasjonsmekanismen er en enkel og genial måte å få jobben gjort.

Naftokvinner fungerer som molekylære budbringere, som frakter elektroner ut av cellen slik at bakteriene kan bryte ned mat og generere energi.”

Biki Bapi Kundu – en doktorgradsstudent ved Rice

Så i stedet for å puste oksygen, kan bakteriene «puste» gjennom oksidasjon av omgivende materialer ved å få dem til å akseptere de overskytende elektronene.

Dette antyder at i tillegg til normal respirasjon og fermentering, er dette en tredje metode for bakterier til å bearbeide mat og generere energi.

Elektrode‑baserte eksperimenter bekrefter bakterienes bruk av elektrisitet

Ved bruk av datamodellering viste simuleringene at bakterier kunne opprettholde seg ved å slippe ut elektroner eksternt.

Forskerne forsøkte deretter å dyrke bakteriene på et område med en ledende overflate, som en elektrode som kan motta elektronene overført av naftokvinner.

Ytterligere laboratorietester bekreftet at bakterier plassert på ledende materialer fortsatte å vokse og generere elektrisitet, og effektivt pustet gjennom overflaten. Bakteriene gjennomgikk også en massiv endring i deres metabolske funksjon og genuttrykk da de skiftet til ekstracellulær respirasjon.

Anvendelser av bakteriel elektrisitet i ren teknologi og bioteknologi

Elektroner som driver kjemiske reaksjoner og oksidasjon er grunnlaget for noen av de viktigste kjemiske reaksjonene, inkludert mange som er av stor interesse for ren teknologi.

Spesielt kan denne prosessen bidra til fiksering av karbondioksid, med teknikker som utnytter bakterier som E. coli i stedet for planter for å fange karbon.

“Vårt arbeid legger grunnlaget for å utnytte karbondioksid gjennom fornybar elektrisitet, der bakterier fungerer på samme måte som planter med sollys i fotosyntesen.

Det åpner døren for å bygge smartere, mer bærekraftige teknologier med biologi i kjernen.”

Ajo-Franklin – Professor i biosciences

Bioteknologiske prosesser som avløpsvannbehandling og bioproduksjon kan forbedres betydelig gjennom bedre håndtering av elektronubalanser. Elektrisitet‑utåndende bakterier kan legges til i disse operasjonene og korrigere disse ubalansene for å holde systemene i effektiv drift.

En annen potensiell anvendelse kan være bioelektroniske sensorer i oksygenfattige miljøer, ved å bruke denne elektronoverføringsmetoden for å erstatte oksygen. Dette kan være nyttig for nye verktøy innen medisinsk diagnostikk, forurensningsovervåking og utforskning av dyprommet.

Fremtiden for bioelektrisitet: Hva dette betyr for bioteknologi

Likevel er svært lite forstått om de komplekse biokjemiske kapasitetene til mikrober, selv bakterier, som er studert og «forstått» som E. coli, en vanlig laboratoriemodell for mikrobiologer.

Dette åpner for interessante ideer om hvordan nye oppdagelser innen elektrobiologi kan brukes til å designe bedre løsninger for batterier, sensorer, forurensningshåndtering, bioproduksjon osv.

Sannsynligvis kan dette gjøres ved kunstig å replikere prosessen som brukes av E. coli og som endelig ble forklart i dag.

I den sammenhengen kan kunstige proteiner eller lignende molekyler utføre elektronoverføringen på en kontrollert og forutsigbar måte.

Investering i syntetisk biologi

Ginkgo Bioworks

Selskapet produserer organismer på forespørsel for spesifikke anvendelser, inkludert biomedisinske anvendelser og programmer innen industri- og materialvitenskap.

Den har også et stort biosecurity‑segment, som blomstret under pandemien. I de fleste tilfeller brukes en form for rettet evolusjon i produksjon og seleksjon av Ginkgos produkter, samt avansert genetisk ingeniørkunst.

Ginkgo Bioworks (DNA ) har diversifisert sine anvendelser bredt med mange forskningsprogrammer og partnerskap:

• Cannabinoider
• Programmerbare mikrober for tarmsykdommer
• Bioremediering av mikroplast
• Resirkulering av avfall og forurensninger

Den tjener penger ved først å bli betalt på forskudd for utviklingsprosessen, og deretter gjennom royalties på det ferdige produktet.

Ginkgos partnerskap utvides kontinuerlig, med:

• Et voksende partnerskap med Novo Nordisk.
• Et partnerskap med det japanske handelsfirmaet Sojitz Corporation.
• DARPA‑finansiering for nye proteiner som kontrollerer is i ekstreme kuldeforhold.
• En avtale på 331 millioner dollar med Pfizer.
• En avtale på 490 millioner dollar med Merck for å optimalisere produksjon av biologiske legemidler.
• En avtale på 406 millioner dollar med Boehringer Ingelheim for mål som er vanskelige å utvikle med legemidler.

Ginkgo Bioworks samarbeider også med alle de store landbrukskonsernene, hvorav de fleste har interesser i produksjon av biodrivstoff og mikrobiologi. Noen av disse inkluderer Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta, og flere.

Ginkgos erfaring med skreddersydde design av genetiske sekvenser, organismer og seleksjon, samt innen biosecurity‑overvåking, gjør dem til en nøkkelleverandør for enhver industri som ønsker å utnytte enzymer og antistoffer for sine spesifikke anvendelser.

Som tjenesteleverandør er Ginkgo godt posisjonert til å dra nytte av veksten i industrien som helhet.

Forretningsmodellen deres utvikler seg, med flere mulige alternativer for fremtiden. En mulighet kan være et skifte mot en mer maskinvarefokusert retning, noe som allerede er igangsatt ved salg av automatiserte laboratorier til forskere, etter å ha drevet disse fasilitetene direkte.

Et annet alternativ kan være at Ginkgo starter mer kontraktproduksjon av bioprodukter i stor skala. Deres ekspertise innen biosciences, laboratorieutstyrdesign og optimalisering av produksjon for giganter som Merck gir dem solide kvalifikasjoner til å lykkes på denne veien.

Til slutt bør det også bemerkes at selskapets eiendeler, som for eksempel milliarder av dollar i automatiserte våtlaboratorier, er sterkt undervurdert ved dagens markedsverdi.

Du kan også lese flere detaljer om Gingko Bioworks i den dedikerte investeringsrapporten om selskapet.

Gingko Bioworks aksjenyheter og siste utviklinger

Studierreferanse:

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

på norsk.