Stromatmende E. coli-Bakterien könnten die Zukunft der Biotechnologie vorantreiben

E. coli nutzt Elektrizität zum Atmen: Bahnbrechende Entdeckung erklärt

Theoretisch ist der Unterschied zwischen einer von Menschenhand geschaffenen Maschine und der Biologie ziemlich klar. Unsere Erfindungen basieren größtenteils auf Elektrizität, während das Leben, von Bakterien bis hin zum Menschen, auf chemischen Reaktionen beruht. Es könnte jedoch sein, dass der Unterschied doch nicht so eindeutig ist, wie wir bisher angenommen haben.

Forscher der Rice University, der University of California und des Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability haben entdeckt, dass ein in unserem Darm häufig vorkommendes Bakterium in einem Prozess namens extrazelluläre Atmung anstelle von Sauerstoff Elektrizität zum „Atmen“ verwendet.

„Unsere Forschung löst nicht nur ein seit langem bestehendes wissenschaftliches Rätsel, sondern weist auch auf eine neue und möglicherweise weit verbreitete Überlebensstrategie in der Natur hin.“

Ajo-Franklin - PProfessor für Biowissenschaften

Dies könnte über die biologische Forschung hinaus Anwendung finden, da der Prozess die Entladung von elektrischem Strom durch Batterien nachahmt.

Ihre Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Cell veröffentlicht.¹, unter dem Titel "Extrazelluläre Atmung ist ein latenter Energiestoffwechsel in Escherichia coli".

Atmung und Elektronentransfer bei Mikroben verstehen

Im Kern ist die Atmung ein elektrischer, genauer gesagt ein elektrochemischer Prozess. Dabei werden energiereiche Moleküle aufgenommen und Elektronen entlang einer komplexen Proteinkette übertragen, bis Sauerstoff durch Zugabe von Wasserstoffionen (H+) und Elektronen (e-) in Wasser umgewandelt wird.

Quelle: Researchgate

Es gibt jedoch keinen Zwang, diesen Prozess ausschließlich mit Sauerstoff durchzuführen. Dies geschieht beispielsweise bei der Gärung, ist aber deutlich weniger effizient als die Atmung (Oxidationsreaktion), da keine abschließende Oxidation stattfindet.

Theoretisch kann jeder beliebige Elektronenakzeptor für die Atmung funktionieren und der sauerstoffbasierten Atmung ähneln, obwohl dies in der Praxis alles andere als einfach ist.

Wie E. coli Sauerstoff durch extrazelluläre Atmung ersetzt

Genau das haben die Forscher entdeckt: Das Bakterium Escherichia coli kann mithilfe sogenannter Naphthochinone Elektronen auf äußere Oberflächen übertragen.

Quelle: Zelle

Dieser Prozess der extrazellulären Atmung ist seit vielen Jahren bekannt, doch dies ist das erste Mal, dass seine Funktionsweise erklärt wurde.

„Dieser neu entdeckte Atmungsmechanismus ist eine einfache und geniale Möglichkeit, diese Aufgabe zu erledigen.

Naphthochinone wirken wie molekulare Kuriere, die Elektronen aus der Zelle transportieren, damit die Bakterien Nahrung zerlegen und Energie erzeugen können.“

Biki Bapi Kundu – eine Doktorandin der Rice University

Anstatt Sauerstoff zu atmen, können die Bakterien durch die Oxidation umgebender Materialien „atmen“, indem sie diese dazu bringen, die überschüssigen Elektronen aufzunehmen.

Dies deutet darauf hin, dass dies neben der normalen Atmung und Gärung eine dritte Methode für Bakterien ist, Nahrung zu verarbeiten und Energie zu erzeugen.

Elektrodenbasierte Experimente bestätigen die Nutzung von Elektrizität durch Bakterien

Mithilfe von Computermodellen zeigten die Simulationen, dass Bakterien sich durch die Abgabe von Elektronen nach außen selbst erhalten können.

Anschließend versuchten die Forscher, die Bakterien auf einer leitfähig gemachten Oberfläche zu kultivieren, die etwa einer Elektrode ähnelte und die von den Naphthochinonen übertragenen Elektronen aufnehmen konnte.

Quelle: Zelle

Weitere Labortests bestätigten, dass Bakterien auf leitfähigen Materialien weiter wuchsen und Strom erzeugten, indem sie effektiv durch die Oberfläche atmeten. Die Bakterien erfuhren zudem eine massive Veränderung ihrer Stoffwechselfunktion und ihres genetischen Ausdrucks, als sie auf extrazelluläre Atmung umstellten.

Anwendungen bakterieller Elektrizität in Clean Tech und Biotech

Elektronen, die chemische Reaktionen und Oxidationen antreiben, sind die Grundlage einiger der wichtigsten chemischen Reaktionen, darunter viele, die für saubere Technologien von größtem Interesse sind.

Insbesondere könnte dieser Prozess die Fixierung von Kohlendioxid unterstützen, indem Techniken zum Einsatz kommen, bei denen Bakterien wie E. coli anstelle von Pflanzen zur Bindung des Kohlenstoffs eingesetzt werden.

„Unsere Arbeit legt den Grundstein für die Nutzung von Kohlendioxid durch erneuerbare Elektrizität, wobei Bakterien bei der Photosynthese ähnlich wie Pflanzen mit Sonnenlicht funktionieren.

Es öffnet die Tür zum Aufbau intelligenterer, nachhaltigerer Technologien mit der Biologie im Mittelpunkt.“

Ajo-Franklin - PProfessor für Biowissenschaften

Biotechnologische Prozesse wie die Abwasserbehandlung und die Bioproduktion könnten durch ein besseres Management von Elektronenungleichgewichten deutlich verbessert werden. Der Einsatz von stromabgebenden Bakterien könnte diese Ungleichgewichte beheben und so die Effizienz der Systeme aufrechterhalten.

Eine weitere mögliche Anwendung könnten bioelektronische Sensoren in sauerstoffarmen Umgebungen sein, die diese Elektronentransfermethode nutzen, um den Sauerstoff zu ersetzen. Dies könnte für neue Instrumente in der medizinischen Diagnostik, der Schadstoffüberwachung und der Erforschung des Weltraums nützlich sein.

Zukunft der Bioelektrizität: Was das für die Biotechnologie bedeutet

Dennoch ist sehr wenig über die komplexen biochemischen Kapazitäten von Mikroben bekannt, selbst von Bakterien, die so gut erforscht und „verstanden“ sind wie E. coli, ein gängiges Labormodell für Mikrobiologen.

Dies eröffnet interessante Ideen, wie neue Erkenntnisse im Bereich der Elektrobiologie genutzt werden könnten, um bessere Lösungen für Batterien, Sensoren, Schadstoffmanagement, Bioproduktion usw. zu entwickeln.

Höchstwahrscheinlich könnte dies durch künstliche Nachbildung des bei E. coli verwendeten und heute endlich erklärten Prozesses erreicht werden.

In diesem Zusammenhang könnten künstliche Proteine ​​oder ähnliche Moleküle den Elektronentransfer auf kontrollierte und vorhersehbare Weise durchführen.

Investitionen in synthetische Biologie

Ginkgo Bioworks

Das Unternehmen produziert bedarfsgesteuerte Organismen für spezielle Anwendungen, darunter biomedizinische Anwendungen sowie Industrie- und Materialwissenschaftsprogramme.

Das Unternehmen verfügt außerdem über ein großes Biosicherheitssegment, das während der Pandemie einen Boom erlebte. In den meisten Fällen wird bei der Herstellung und Auswahl der Gingko-Produkte eine Form der gerichteten Evolution sowie fortgeschrittene Gentechnik eingesetzt.

Ginkgo Bioworks hat seine Anwendungsgebiete durch zahlreiche Forschungsprogramme und Partnerschaften stark diversifiziert:

• Cannabinoide
• Programmierbare Mikroben gegen Darmerkrankungen
• Bioremediation von Mikroplastik
• Recycling von Abfällen und Schadstoffen

Es verdient Geld, indem es zunächst für den Entwicklungsprozess und dann durch Lizenzgebühren für das fertige Produkt bezahlt wird.

Die Partnerschaften von Gingko werden ständig erweitert, mit:

• Eine wachsende Partnerschaft mit Novo Nordisk.
• Eine Partnerschaft mit dem japanischen Handelsunternehmen Sojitz Corporation.
• DARPA-Finanzierung für neuartige Proteine ​​zur Eiskontrolle bei extrem kalten Wetterbedingungen.
• Ein 331-Millionen-Dollar-Deal mit Pfizer.
• Ein 490-Millionen-Dollar-Deal mit Merck zur Optimierung der Biologika-Produktion.
• Ein 406-Millionen-Dollar-Deal mit Boehringer Ingelheim für medikamentös nicht behandelbare Ziele.

Ginkgo Bioworks arbeitet außerdem mit allen großen Agrarkonzernen zusammen, von denen die meisten ein gewisses Interesse an der Biokraftstoffproduktion und Mikrobiologie haben. Einige davon sind Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta und mehr.

Quelle: Verteidigengo Bioworks

Dank seiner Erfahrung im kundenspezifischen Design genetischer Sequenzen, Organismen und Selektion sowie in der Überwachung der Biosicherheit ist Gingko ein wichtiger Anbieter für alle Branchen, die Enzyme und Antikörper für ihre spezifischen Anwendungen nutzen möchten.

Als Dienstleister ist Gingko gut aufgestellt, um vom Wachstum der gesamten Branche zu profitieren.

Das Geschäftsmodell entwickelt sich weiter, und für die Zukunft gibt es mehrere mögliche Optionen. Eine davon könnte eine stärkere Hardware-Ausrichtung sein, wie sie bereits durch den Verkauf automatisierter Labore an Forscher eingeleitet wurde, nachdem das Unternehmen diese Einrichtungen bislang überwiegend selbst betrieben hatte.

Eine weitere Option für Ginkgo wäre die verstärkte Auftragsfertigung von Bioprodukten im großen Maßstab. Seine Expertise in den Biowissenschaften, der Entwicklung von Laborgeräten und der Produktionsoptimierung für Großkonzerne wie Merck verleiht dem Unternehmen die besten Voraussetzungen für einen erfolgreichen Einstieg.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die Vermögenswerte des Unternehmens, wie beispielsweise Milliarden Dollar in automatisierte Nasslabore, bei der aktuellen Marktkapitalisierung stark abgezinst sind.

(Lesen Sie auch Weitere Einzelheiten zu Gingkgo Bioworks finden Sie im speziellen Investmentbericht über das Unternehmen)

Gingko Bioworks-Aktiennachrichten und aktuelle Entwicklungen

Studienreferenz:

1. ^{Biki Bapi Kundu, Et al.(2025) Die extrazelluläre Atmung ist ein latenter Energiestoffwechsel in Escherichia coli. Zelle. 10. April 2025. https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00289-2}