E. coli que Respira Eletricidade Pode Impulsionar o Futuro da Biotecnologia

E. coli Usa Eletricidade para Respirar: Descoberta Revolucionária Explicada

Em teoria, a diferença entre uma máquina feita pelo homem e a biologia é bastante clara. Nossas invenções funcionam principalmente com eletricidade, enquanto a vida, de bactérias a humanos, funciona com reações químicas. No entanto, pode ser que a diferença não seja tão nítida quanto supúnhamos anteriormente.

Pesquisadores da Rice University, da University of California e do Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability descobriram que uma bactéria comum em nossos intestinos está usando eletricidade para “respirar”, em vez de usar oxigênio, em um processo chamado respiração extracelular.

“Nossa pesquisa não apenas resolve um mistério científico de longa data, mas também aponta para uma nova e potencialmente difundida estratégia de sobrevivência na natureza.”

Ajo-Franklin – Professor de Ciências Biológicas

Isso pode ter aplicações além da pesquisa biológica, já que o processo imita como as baterias descarregam corrente elétrica.

Os resultados foram publicados na prestigiosa revista científica Cell, sob o título “Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli”.

Entendendo a Respiração e a Transferência de Elétrons em Microrganismos

Em sua essência, a respiração é um processo elétrico, ou mais precisamente, eletroquímico. Ela utiliza moléculas energéticas e transfere elétrons ao longo de uma cadeia complexa de proteínas até transformar o oxigênio em água, adicionando a ele íons de hidrogênio (H+) e elétrons (e-).

Mas nada obriga esse processo a usar exclusivamente oxigênio. Por exemplo, isso ocorre durante a fermentação, mas é um processo muito menos eficiente que a respiração, ou reação de oxidação, devido à ausência de oxidação final.

Em teoria, qualquer aceitador final de elétrons pode funcionar para a respiração e ser semelhante à respiração baseada em oxigênio, embora na prática seja tudo menos simples.

Como o E. coli Substitui o Oxigênio Usando Respiração Extracelular

Isso é exatamente o que os pesquisadores descobriram. A bactéria Escherichia coli pode usar compostos chamados naftoquinonas para transferir elétrons para superfícies externas.

Esse processo de respiração extracelular era conhecido há muitos anos, mas esta é a primeira vez que seu mecanismo foi explicado.

“Esse mecanismo recém‑descoberto de respiração é uma forma simples e engenhosa de realizar a tarefa.

As naftoquinonas agem como mensageiros moleculares, transportando elétrons para fora da célula para que as bactérias possam decompor alimentos e gerar energia.”

Biki Bapi Kundu – estudante de doutorado da Rice

Portanto, em vez de respirar oxigênio, as bactérias podem “respirar” através da oxidação de materiais ao seu redor, fazendo com que aceitem os elétrons excedentes.

Isso sugere que, além da respiração normal e da fermentação, este é um terceiro método para as bactérias processarem alimentos e gerarem energia.

Experimentos Baseados em Eletrodos Confirmam o Uso de Eletricidade pelas Bactérias

Usando modelagem computacional, as simulações revelaram que as bactérias poderiam se sustentar descarregando elétrons externamente.

Os pesquisadores então tentaram cultivar as bactérias em uma área rica em superfície condutora, como um eletrodo capaz de receber os elétrons transferidos pelas naftoquinonas.

Testes laboratoriais adicionais confirmaram que bactérias colocadas em materiais condutores continuaram a crescer e gerar eletricidade, respirando efetivamente através da superfície. As bactérias também sofreram uma mudança massiva em sua função metabólica e expressão genética ao mudar para a respiração extracelular.

Aplicações da Eletricidade Bacteriana em Tecnologias Limpas e Biotecnologia

Elétrons que impulsionam reações químicas e oxidação são a base de algumas das reações químicas mais importantes, incluindo muitas de grande interesse para tecnologias limpas.

Notavelmente, a fixação de dióxido de carbono poderia ser auxiliada por esse processo, com técnicas que utilizam bactérias como E. coli em vez de plantas para capturar o carbono.

“Nosso trabalho estabelece a base para aproveitar o dióxido de carbono por meio de eletricidade renovável, onde as bactérias funcionam de forma semelhante às plantas com luz solar na fotossíntese.

Isso abre a porta para construir tecnologias mais inteligentes e sustentáveis com a biologia no centro.”

Ajo-Franklin – Professor de Ciências Biológicas

Processos biotecnológicos como tratamento de águas residuais e biomanufatura poderiam ser significativamente aprimorados por meio de melhor gerenciamento de desequilíbrios de elétrons. Bactérias que exalam eletricidade poderiam ser adicionadas a essas operações e corrigir esses desequilíbrios para manter os sistemas funcionando de forma eficiente.

Outra aplicação potencial poderia ser sensores bioeletrônicos em ambientes com deficiência de oxigênio, usando esse método de transferência de elétrons para substituir o oxigênio. Isso poderia ser útil para novas ferramentas de diagnóstico médico, monitoramento de poluição e exploração espacial profunda.

Futuro da Bioeletricidade: O Que Isso Significa para a Biotecnologia

Ainda assim, muito pouco se entende sobre as complexas capacidades bioquímicas dos micróbios, mesmo bactérias, tão estudadas e “compreendidas” como E. coli, um modelo laboratorial comum para microbiologistas.

Isso abre ideias interessantes sobre como novas descobertas em eletrobiologia poderiam ser usadas para projetar soluções melhores para baterias, sensores, gerenciamento de poluição, biomanufatura, etc.

Muito provavelmente, isso poderia ser feito replicando artificialmente o processo usado por E. coli e finalmente explicado hoje.

Nesse contexto, proteínas artificiais ou moléculas semelhantes poderiam realizar a transferência de elétrons de forma controlada e previsível.

Investindo em Biologia Sintética

Ginkgo Bioworks

A empresa produz organismos sob demanda para aplicações específicas, incluindo aplicações biomédicas e programas de ciências industriais e de materiais.

Ela também possui um grande segmento de biossegurança, que prosperou durante a pandemia. Na maioria dos casos, alguma forma de evolução dirigida é usada na produção e seleção dos produtos da Ginkgo, bem como engenharia genética avançada.

A Ginkgo Bioworks (DNA ) diversificou amplamente suas aplicações com muitos programas de pesquisa e parcerias:

• Canabinoides
• Micróbios programáveis para doenças intestinais
• Biorremediação de microplásticos
• Reciclagem de resíduos e contaminantes

Ela gera receita ao ser paga antecipadamente pelo processo de desenvolvimento e depois por meio de royalties sobre o produto final.

As parcerias da Ginkgo estão constantemente se expandindo, com:

• Uma parceria crescente com a Novo Nordisk.
• Uma parceria com a empresa comercial japonesa Sojitz Corporation.
• Financiamento da DARPA para proteínas inovadoras que controlam o gelo em ambientes de clima extremamente frio.
• Um acordo de US$ 331 milhões com a Pfizer.
• Um acordo de US$ 490 milhões com a Merck para otimizar a fabricação de biológicos.
• Um acordo de US$ 406 milhões com a Boehringer Ingelheim para alvos não farmacológicos.

A Ginkgo Bioworks também faz parcerias com todas as principais corporações agrícolas, a maioria das quais tem algum interesse na produção de biocombustíveis e microbiologia. Algumas dessas incluem Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta e outras.

A experiência da Ginkgo em projetos personalizados de sequências genéticas, organismos e seleção, bem como em monitoramento de biossegurança, faz dela um fornecedor chave para todas as indústrias que buscam aproveitar enzimas e anticorpos para suas aplicações específicas.

Como provedora de serviços, a Ginkgo está bem posicionada para capitalizar o crescimento da indústria como um todo.

Seu modelo de negócios está evoluindo, com várias opções possíveis para o futuro. Uma delas poderia ser a mudança para uma direção mais focada em hardware, algo já iniciado pela venda de laboratórios automatizados para pesquisadores, após ter operado essas instalações diretamente na maior parte do tempo.

Outra opção poderia ser a Ginkgo iniciar mais manufatura por contrato de bioprodutos em escala. Sua expertise em biosciências, design de hardware de laboratório e otimização de produção para gigantes como a Merck lhe confere credenciais sérias para ter sucesso nessa trajetória.

Por fim, também deve ser observado que os ativos da empresa, como, por exemplo, bilhões de dólares em laboratórios úmidos automatizados, estão fortemente descontados na capitalização de mercado atual.

Você também pode ler mais detalhes sobre a Ginkgo Bioworks no relatório de investimento dedicado à empresa.

Notícias de Ações da Ginkgo Bioworks e Últimos Desenvolvimentos

Referência do Estudo:

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