Elektrik Soluyan E. coli Biyoteknolojinin Geleceğini Güçlendirebilir

E. coli Elektrik Kullanarak Soluyor: Çığır Açan Keşif Açıklaması

Teorik olarak, insan yapımı bir makine ile biyoloji arasındaki fark oldukça açıktır. Buluşlarımız çoğunlukla elektriğe dayanırken, bakteriden insanlara kadar yaşam kimyasal reaksiyonlarla işler. Ancak, bu farkın daha önce varsaydığımız kadar net olmayabileceği de mümkündür.

Rice University, University of California ve Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability’den araştırmacılar, bağırsaklarımızda yaygın olan bir bakterinin oksijen yerine “solumak” için elektriği kullandığını, dış hücre solunumu (extracellular respiration) adı verilen bir süreçte keşfettiler.

“Araştırmamız yalnızca uzun süredir devam eden bilimsel bir gizemi çözmekle kalmıyor, aynı zamanda doğada yeni ve potansiyel olarak yaygın bir hayatta kalma stratejisine işaret ediyor.”

Ajo-Franklin – Biyoloji Bilimleri Profesörü

Bu süreç, pillerin elektrik akımını nasıl boşalttığını taklit ettiği için biyolojik araştırmaların ötesinde uygulamalara sahip olabilir.

Bulguları, prestijli bilimsel dergi Cell’de, “Ekstraselüler solunum, Escherichia coli’de gizli bir enerji metabolizmasıdır” başlığıyla yayımlandı.

Mikroplarda Solunum ve Elektron Transferini Anlamak

Temelde, solunum bir elektriksel süreçtir, daha doğrusu bir elektrokimyasal süreçtir. Enerjik molekülleri alır ve elektronları karmaşık bir protein zinciri boyunca transfer eder; bu süreç, oksijeni hidrojen iyonu (H+) ve elektron (e-) ekleyerek suya dönüştürür.

Ancak bu sürecin yalnızca oksijen kullanmasını zorlayan bir şey yoktur. Örneğin, fermantasyon sırasında da aynı şey gerçekleşir, fakat son bir oksidasyon gerçekleşmediği için solunum ya da oksidasyon reaksiyonuna göre çok daha verimsiz bir süreçtir.

Teorik olarak, elektronların herhangi bir son alıcısı solunum için çalışabilir ve oksijene dayalı solunumla benzer olabilir, ancak pratikte bu hiç de basit değildir.

E. coli, Ekstraselüler Solunumla Oksijeni Nasıl Yerine Koyar

Araştırmacıların tam da keşfettiği budur. Escherichia coli bakterisi, naphthoquinones adı verilen bileşikleri kullanarak elektronları dış yüzeylere transfer edebilir.

Bu ekstraselüler solunum süreci yıllardır biliniyordu, ancak nasıl çalıştığı ilk kez açıklanmıştır.

“Yeni keşfedilen bu solunum mekanizması, işi basit ve zekice bir şekilde halletmenin yoludur.

Naphthoquinones, moleküler kurye gibi davranarak elektronları hücre dışına taşıyarak bakterinin besini parçalayıp enerji üretmesini sağlar.

Biki Bapi Kundu – Rice doktora öğrencisi

Dolayısıyla oksijen solumak yerine, bakteriler çevredeki maddelerin fazla elektronları kabul etmesini sağlayarak bu maddelerin oksidasyonu yoluyla “soluyabilir”.

Bu, normal solunum ve fermantasyonun yanı sıra, bakterilerin besin işleyip enerji üretebileceği üçüncü bir yöntem olduğunu gösteriyor.

Elektrot Tabanlı Deneyler Bakteriyel Elektrik Kullanımını Doğruluyor

Bilgisayar modellemesi kullanılarak yapılan simülasyonlar, bakterilerin dışarıya elektron boşaltarak kendilerini sürdürebileceğini ortaya koydu.

Araştırmacılar daha sonra bakterileri, naphthoquinones tarafından transfer edilen elektronları alabilecek bir elektrot gibi iletken bir yüzeye sahip bir alanda yetiştirmeye çalıştı.

İleri laboratuvar testleri, iletken malzemelere yerleştirilen bakterilerin büyümeye ve elektrik üretmeye devam ettiğini, yüzey üzerinden etkili bir şekilde soluduklarını doğruladı. Bakteriler ayrıca ekstraselüler solunuma geçtikçe metabolik fonksiyonları ve gen ifadesinde büyük bir değişim yaşadı.

Temiz Teknoloji ve Biyoteknolojide Bakteriyel Elektriğin Uygulamaları

Elektronların kimyasal reaksiyonları ve oksidasyonu yönlendirmesi, temiz teknolojiler için büyük öneme sahip birçok kimyasal reaksiyonun temelini oluşturur.

Özellikle, bu süreç karbon dioksit sabitlemesini destekleyebilir; bitkiler yerine E. coli gibi bakterileri kullanan tekniklerle karbon yakalanabilir.

“Çalışmamız, yenilenebilir elektrikle karbon dioksiti kullanmanın temelini atıyor; burada bakteriler, fotosentezde güneş ışığıyla çalışan bitkilere benzer bir şekilde işlev görüyor.

Bu, biyolojiyi çekirdeğe alarak daha akıllı ve sürdürülebilir teknolojiler inşa etmenin kapılarını açıyor.

Ajo-Franklin – Biyoloji Bilimleri Profesörü

Atık su arıtımı ve biyoyapım gibi biyoteknoloji süreçleri, elektron dengesizliklerinin daha iyi yönetilmesiyle önemli ölçüde iyileştirilebilir. Elektrik üfleyen bakteriler bu operasyonlara eklenerek dengesizlikleri düzeltebilir ve sistemlerin verimli çalışmasını sağlayabilir.

Başka bir potansiyel uygulama, oksijenin bulunmadığı ortamlarda bu elektron transfer yöntemini oksijen yerine kullanarak biyoelektronik sensörler olabilir. Bu, tıbbi tanı, kirlilik izleme ve derin uzay keşfi için yeni araçlar sağlamada faydalı olabilir.

Biyoelektriğin Geleceği: Biyoteknoloji İçin Ne Anlama Geliyor

Yine de, mikropların, hatta bakterilerin bile, karmaşık biyokimyasal kapasiteleri hakkında çok az şey anlaşılmıştır; mikrobiyologlar için yaygın bir laboratuvar modeli olan E. coli gibi incelenmiş ve “anlaşılmış” bile.

Bu, elektro-biyolojiyle ilgili yeni keşiflerin, piller, sensörler, kirlilik yönetimi, biyoyapım vb. için daha iyi çözümler tasarlamakta nasıl kullanılabileceği konusunda ilginç fikirler ortaya çıkarıyor.

Muhtemelen, bugün açıklanan E. coli’nin kullandığı sürecin yapay olarak kopyalanmasıyla gerçekleştirilebilir.

Bu bağlamda, yapay proteinler veya benzeri moleküller, elektron transferini kontrollü ve öngörülebilir bir şekilde gerçekleştirebilir.

Sentetik Biyolojiye Yatırım

Ginkgo Bioworks

Şirket, biyomedikal uygulamalar ve endüstriyel ve malzeme bilimleri programları dahil olmak üzere belirli uygulamalar için isteğe bağlı organizmalar üretmektedir.

Ayrıca pandemi sırasında hızla büyüyen büyük bir biyogüvenlik segmentine de sahiptir. Çoğu durumda, Ginkgo’nun ürünlerinin üretim ve seçilmesinde yönlendirilmiş evrim ve ileri genetik mühendislik kullanılır.

Ginkgo Bioworks (DNA ), birçok araştırma programı ve ortaklıkla uygulamalarını geniş bir şekilde çeşitlendirmiştir:

• Kannabinoidler
• Bağırsak hastalıkları için programlanabilir mikroplar
• Mikroplastik biyoremediasyonu
• Atık ve kirleticilerin geri dönüştürülmesi

Şirket, geliştirme süreci için önceden ödeme alarak ve ardından tamamlanmış ürün üzerinden telif hakkı alarak para kazanıyor.

Gingko’nun ortaklıkları sürekli genişliyor, şunlar:

• Novo Nordisk ile artan bir ortaklık.
• Japon ticaret şirketi Sojitz Corporation ile bir ortaklık.
• DARPA, aşırı soğuk hava koşullarında buz kontrolü için yeni proteinlere finansman sağlıyor.
• Pfizer ile 331 milyon dolarlık bir anlaşma.
• Merck ile biyolojik ürün üretimini optimize etmek için 490 milyon dolarlık bir anlaşma.
• Boehringer Ingelheim ile ilaçlanamayan hedefler için 406 milyon dolarlık bir anlaşma.

Ginkgo Bioworks ayrıca tüm büyük tarım şirketleriyle ortaklık kurmaktadır; bunların çoğu biyoyakıt üretimi ve mikrobiyolojiyle ilgilenmektedir. Bunlardan bazıları Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta ve daha fazlasını içerir.

Gingko’nun gen dizileri, organizmalar ve seçim konularında özelleştirilmiş tasarımlardaki deneyimi ve biyogüvenlik izleme konusundaki uzmanlığı, belirli uygulamaları için enzim ve antikorları kullanan her sektöre kilit bir sağlayıcı olmasını sağlıyor.

Bir hizmet sağlayıcı olarak, Gingko endüstrinin genel büyümesinden faydalanmak için iyi konumlanmıştır.

İş modeli evrim geçiriyor ve geleceğe yönelik birkaç olası seçenek var. Bunlardan biri, daha çok donanım odaklı bir yönelime geçmek olabilir; bu, otomatik laboratuvarların araştırmacılara satılmasıyla zaten başlatılmıştır, daha önce bu tesisleri doğrudan işletiyordu.

Başka bir seçenek, Ginkgo’nun ölçekli biyoproduktlerin sözleşmeli üretimine daha fazla başlaması olabilir. Biyobilimlerde, laboratuvar donanım tasarımında ve Merck gibi devler için üretim optimizasyonundaki uzmanlığı, bu yolda başarılı olması için ciddi bir nitelik sağlar.

Son olarak, şirket varlıklarının, örneğin milyarlarca dolarlık otomatik ıslak laboratuvarlar gibi, mevcut piyasa değerlemesinde ciddi şekilde indirimli olduğu da belirtilmelidir.

Şirket hakkında ayrıntılı yatırım raporunda Gingko Bioworks hakkında daha fazla bilgi de okuyabilirsiniz.

Gingko Bioworks Hisse Senedi Haberleri ve Son Gelişmeler

Çalışma Referansı:

1. Biki Bapi Kundu ve ark. (2025) Ekstraselüler solunum, Escherichia coli’de gizli bir enerji metabolizmasıdır. Cell. 10 Nisan 2025.