Elektricitet-andande E. coli kan driva framtiden för bioteknik

E. coli använder elektricitet för att andas: Banbrytande upptäckt förklarad

I teorin är skillnaden mellan en människogjord maskin och biologi ganska tydlig. Våra uppfinningar drivs mestadels av elektricitet, medan livet, från bakterier till människor, drivs av kemiska reaktioner. Det kan dock vara så att skillnaden inte är lika entydig som vi tidigare antagit.

Forskare vid Rice University, University of California och Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability har upptäckt att en bakterie som är vanlig i våra tarmar använder elektricitet för att ”andas”, istället för att använda syre, i en process som kallas extracellulär respiration.

“Vår forskning löser inte bara ett långvarigt vetenskapligt mysterium, utan pekar också på en ny och potentiellt utbredd överlevnadsstrategi i naturen.”

Ajo-Franklin – professor i biosciences

Detta kan ha tillämpningar bortom biologisk forskning, eftersom processen efterliknar hur batterier avger elektrisk ström.

Deras resultat publicerades i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Cell, under titeln “Extracellular respiration is a latent energy metabolism in Escherichia coli”.

Förståelse av respiration och elektronöverföring i mikrober

I grunden är respiration en elektrisk process, eller mer exakt en elektrokemisk process. Den tar energirika molekyler och överför elektroner längs en komplex proteinkedja tills den omvandlar syre till vatten, genom att tillsätta vätejon (H+) och elektron (e-).

Men inget tvingar denna process att uteslutande använda syre. Till exempel är det vad som händer under jäsning, men det är en mycket mindre effektiv process än respiration, eller oxidationsreaktion, på grund av att ingen slutlig oxidation sker.

I teorin kan vilken slutlig elektronacceptor som helst fungera för respiration och vara liknande syrebaserad respiration, även om det i praktiken är långt ifrån enkelt.

Hur E. coli ersätter syre med extracellulär respiration

Detta är exakt vad forskarna upptäckte. Bakterien Escherichia coli kan använda föreningar som kallas naftokviner för att överföra elektroner till yttre ytor.

Denna extracellulära respirationsprocess har varit känd i många år, men detta är första gången som dess funktion har förklarats.

“Denna nyupptäckta respirationsmekanism är ett enkelt och genialt sätt att få jobbet gjort.

Naftokviner fungerar som molekylära kurirer, som transporterar elektroner ut ur cellen så att bakterierna kan bryta ner mat och generera energi.”

Biki Bapi Kundu – en doktorand vid Rice

Så istället för att andas syre kan bakterierna ”andas” genom oxidation av omgivande material genom att få dem att acceptera de överskjutande elektronerna.

Detta antyder att förutom normal respiration och jäsning är detta en tredje metod för bakterier att bearbeta mat och generera energi.

Elektrod-baserade experiment bekräftar bakteriers användning av elektricitet

Genom att använda datorbaserad modellering visade simuleringarna att bakterier kunde upprätthålla sig själva genom att avge elektroner externt.

Forskarnas försökte sedan odla bakterierna på ett område med ledande yta, som en elektrod som kan ta emot de elektroner som överförs av naftokvinerna.

Ytterligare laboratorietester bekräftade att bakterier placerade på ledande material fortsatte att växa och generera elektricitet, effektivt andas genom ytan. Bakterierna genomgick också en enorm förändring i sin metaboliska funktion och genuttryck när de övergick till extracellulär respiration.

Tillämpningar av bakterieelektricitet inom ren teknik och bioteknik

Elektroner som driver kemiska reaktioner och oxidation är grunden för några av de viktigaste kemiska reaktionerna, inklusive många som är av största intresse för ren teknik.

Speciellt kan fixationen av koldioxid underlättas av denna process, med tekniker som utnyttjar bakterier som E. coli istället för växter för att fånga koldioxid.

“Vårt arbete lägger grunden för att utnyttja koldioxid genom förnybar elektricitet, där bakterier fungerar på liknande sätt som växter med solljus i fotosyntesen.

Det öppnar dörren för att bygga smartare, mer hållbara teknologier med biologi i centrum.”

Ajo-Franklin – professor i biosciences

Bioteknologiska processer såsom avloppsrening och biotillverkning kan förbättras avsevärt genom bättre hantering av elektronobalanser. Elektricitet-andande bakterier kan läggas till i dessa operationer och korrigera dessa obalanser för att hålla systemen igång effektivt.

En annan potentiell tillämpning kan vara bioelektroniska sensorer i syrefattiga miljöer, där denna elektronöverföringsmetod används för att ersätta syre. Detta kan vara användbart för nya verktyg för medicinsk diagnostik, föroreningsovervakning och utforskning av djup rymd.

Framtiden för bioelektricitet: Vad detta betyder för bioteknik

Ändå är mycket lite förstått om de komplexa biokemiska kapaciteterna hos mikrober, även bakterier, som studeras och ”förstås” som E. coli, en vanlig laboratoriemodell för mikrobiologer.

Detta öppnar upp intressanta idéer om hur nya upptäckter inom elektrobiologi kan användas för att designa bättre lösningar för batterier, sensorer, föroreningshantering, biotillverkning osv.

Mest sannolikt kan det göras genom att artificiellt replikera den process som E. coli använder och som idag äntligen har förklarats.

I det sammanhanget kan artificiella proteiner eller liknande molekyler utföra elektronöverföringen på ett kontrollerat och förutsägbart sätt.

Investera i syntetisk biologi

Ginkgo Bioworks

Företaget producerar skräddarsydda organismer på begäran för specifika tillämpningar, inklusive biomedicinska tillämpningar samt program inom industri- och materialvetenskap.

Det har också ett stort bio-säkerhetssegment, som blomstrade under pandemin. I de flesta fall används någon form av riktad evolution i produktionen och urvalet av Ginkgos produkter, samt avancerad genetisk ingenjörskonst.

Ginkgo Bioworks (DNA ) har diversifierat sina tillämpningar brett med många forskningsprogram och partnerskap:

• Cannabinoider
• Programmerbara mikrober för tarmsjukdomar
• Bioremediering av mikroplaster
• Återvinning av avfall och föroreningar

Det tjänar pengar genom att först få betalt i förskott för utvecklingsprocessen och sedan genom royalties på den färdiga produkten.

Gingkos partnerskap expanderar ständigt, med:

• Ett växande partnerskap med Novo Nordisk.
• Ett partnerskap med det japanska handelsföretaget Sojitz Corporation.
• DARPA-finansiering för nya proteiner för att kontrollera is i extrema kallvädermiljöer.
• Ett avtal på 331 M$ med Pfizer.
• Ett avtal på 490 M$ med Merck för att optimera tillverkning av biologiska läkemedel.
• Ett avtal på 406 M$ med Boehringer Ingelheim för oåtgärdbara mål.

Ginkgo Bioworks samarbetar också med alla stora jordbruksföretag, varav de flesta har intressen i biobränsleproduktion och mikrobiologi. Några av dessa inkluderar Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta och fler.

Gingkos erfarenhet av skräddarsydda designer av genetiska sekvenser, organismer och urval, samt bio-säkerhetsövervakning, gör dem till en nyckelleverantör för alla industrier som vill utnyttja enzymer och antikroppar för sina specifika tillämpningar.

Som tjänsteleverantör är Gingko väl positionerat för att dra nytta av branschens tillväxt som helhet.

Dess affärsmodell utvecklas, med flera möjliga alternativ för framtiden. Ett alternativ kan vara en övergång till en mer hårdvarufokuserad inriktning, något som redan har initierats genom försäljning av automatiserade laboratorier till forskare, efter att tidigare mest ha drivit dessa anläggningar direkt.

Ett annat alternativ kan vara att Ginkgo börjar med mer kontraktstillverkning av bioprodukter i stor skala. Dess expertis inom biosciences, laboratorieutrustningsdesign och optimering av produktion för jättar som Merck ger dem starka meriter för att lyckas på denna väg.

Slutligen bör också noteras att företagets tillgångar, som exempelvis miljarder dollar i automatiserade våtlaboratorier, är kraftigt nedsatta i den nuvarande börsvärderingen.

Du kan också läsa mer detaljer om Gingko Bioworks i den dedikerade investeringsrapporten om företaget.

Gingko Bioworks aktienyheter och senaste utvecklingar

Studierreferens:

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