L'Escherichia coli che respira elettricità potrebbe alimentare il futuro della biotecnologia

L'Escherichia coli usa l'elettricità per respirare: la spiegazione di una scoperta rivoluzionaria

In teoria, la differenza tra una macchina creata dall'uomo e la biologia è piuttosto netta. Le nostre invenzioni funzionano principalmente a elettricità, mentre la vita, dai batteri all'uomo, si basa su reazioni chimiche. Tuttavia, è possibile che la differenza non sia così netta come si pensava in precedenza.

I ricercatori della Rice University, dell'Università della California e del Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability hanno scoperto che un batterio comune nel nostro intestino utilizza l'elettricità per "respirare", invece di utilizzare l'ossigeno, in un processo chiamato respirazione extracellulare.

"La nostra ricerca non solo risolve un mistero scientifico di lunga data, ma indica anche una nuova e potenzialmente diffusa strategia di sopravvivenza in natura".

Ajo-Franklin - Pprofessore di bioscienze

Le applicazioni potrebbero andare oltre la ricerca biologica, poiché il processo imita il modo in cui le batterie scaricano la corrente elettrica.

I loro risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Cell¹, sotto il titolo “La respirazione extracellulare è un metabolismo energetico latente in Escherichia coli".

Comprendere la respirazione e il trasferimento di elettroni nei microbi

In sostanza, la respirazione è un processo elettrico, o più precisamente elettrochimico. Prende molecole energetiche e trasferisce elettroni lungo una complessa catena proteica fino a trasformare l'ossigeno in acqua, aggiungendovi ioni idrogeno (H+) ed elettroni (e-).

Fonte: ResearchGate

Ma nulla obbliga questo processo a utilizzare esclusivamente ossigeno. Ad esempio, è ciò che accade durante la fermentazione, ma è un processo molto meno efficiente della respirazione (reazione di ossidazione) perché non si verifica alcuna ossidazione finale.

In teoria, qualsiasi accettore finale di elettroni può svolgere la funzione di respirazione ed essere simile alla respirazione basata sull'ossigeno, anche se nella pratica è tutt'altro che semplice.

Come l'Escherichia coli sostituisce l'ossigeno utilizzando la respirazione extracellulare

Questo è esattamente ciò che hanno scoperto i ricercatori. Il batterio Escherichia coli può utilizzare composti chiamati naftochinoni per trasferire elettroni alle superfici esterne.

Fonte: Cella

Questo processo di respirazione extracellulare era noto da molti anni, ma questa è la prima volta che ne viene spiegato il funzionamento.

"Questo meccanismo di respirazione appena scoperto è un modo semplice e ingegnoso per portare a termine il lavoro.

I naftochinoni agiscono come corrieri molecolari, trasportando gli elettroni fuori dalla cellula in modo che i batteri possano scomporre il cibo e generare energia."

Biki Bapi Kundu – uno studente di dottorato della Rice

Quindi, invece di respirare ossigeno, i batteri possono "respirare" attraverso l'ossidazione dei materiali circostanti, facendo sì che accettino gli elettroni in eccesso.

Ciò suggerisce che, oltre alla normale respirazione e fermentazione, questo è un terzo metodo utilizzato dai batteri per elaborare il cibo e generare energia.

Esperimenti basati su elettrodi confermano l'uso dell'elettricità batterica

Utilizzando la modellazione al computer, le simulazioni hanno rivelato che i batteri possono sostenersi scaricando elettroni all'esterno.

I ricercatori hanno poi provato a coltivare i batteri su una zona con una superficie ricca di conduttività, come un elettrodo in grado di ricevere gli elettroni trasferiti dai naftochinoni.

Fonte: Cella

Ulteriori test di laboratorio hanno confermato che i batteri posizionati su materiali conduttivi continuavano a crescere e a generare elettricità, respirando efficacemente attraverso la superficie. I batteri hanno anche subito un'enorme modifica nella loro funzione metabolica e nell'espressione genetica passando alla respirazione extracellulare.

Applicazioni dell'elettricità batterica nelle tecnologie pulite e nella biotecnologia

Gli elettroni che guidano le reazioni chimiche e l'ossidazione sono alla base di alcune delle reazioni chimiche più importanti, tra cui molte di primario interesse per le tecnologie pulite.

In particolare, la fissazione dell'anidride carbonica potrebbe essere agevolata da questo processo, con tecniche che sfruttano batteri come l'Escherichia coli anziché le piante per catturare il carbonio.

"Il nostro lavoro getta le basi per sfruttare l'anidride carbonica attraverso l'elettricità rinnovabile, dove i batteri funzionano in modo simile alle piante grazie alla luce solare nella fotosintesi.

Apre le porte alla creazione di tecnologie più intelligenti e sostenibili, con la biologia al centro".

Ajo-Franklin - Pprofessore di bioscienze

Processi biotecnologici come il trattamento delle acque reflue e la biofabbricazione potrebbero essere significativamente migliorati attraverso una migliore gestione degli squilibri elettronici. I batteri che espirano elettricità potrebbero essere aggiunti a queste operazioni e correggere questi squilibri, mantenendo i sistemi efficienti.

Un'altra potenziale applicazione potrebbe essere la sensoristica bioelettronica in ambienti privi di ossigeno, utilizzando questo metodo di trasferimento di elettroni per sostituire l'ossigeno. Ciò potrebbe essere utile per nuovi strumenti per la diagnostica medica, il monitoraggio dell'inquinamento e l'esplorazione dello spazio profondo.

Il futuro della bioelettricità: cosa significa per la biotecnologia

Tuttavia, si sa ancora molto poco sulle complesse capacità biochimiche dei microbi, compresi i batteri, studiati e "compresi" come l'Escherichia coli, un modello di laboratorio comune per i microbiologi.

Ciò apre interessanti spunti su come le nuove scoperte nel campo dell'elettrobiologia potrebbero essere utilizzate per progettare soluzioni migliori per batterie, sensori, gestione dell'inquinamento, bioproduzione, ecc.

Molto probabilmente ciò potrebbe essere fatto replicando artificialmente il processo utilizzato dall'Escherichia coli e finalmente spiegato oggi.

In tale contesto, proteine ​​artificiali o molecole simili potrebbero eseguire il trasferimento di elettroni in modo controllato e prevedibile.

Investire nella biologia sintetica

Ginkgo Bioworks

L'azienda produce organismi su richiesta per applicazioni specifiche, comprese applicazioni biomediche e programmi di scienze industriali e dei materiali.

Dispone inoltre di un ampio segmento dedicato alla biosicurezza, in forte espansione durante la pandemia. Nella maggior parte dei casi, nella produzione e selezione dei prodotti a base di Gingko viene utilizzata una qualche forma di evoluzione guidata, oltre a tecniche di ingegneria genetica avanzata.

Ginkgo Bioworks ha diversificato ampiamente le sue applicazioni con numerosi programmi di ricerca e partnership:

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Ginkgo Bioworks collabora inoltre con tutte le principali aziende agricole, la maggior parte delle quali ha interessi nella produzione di biocarburanti e nella microbiologia. Alcuni di questi includono Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta e altri.

Fonte: Difenderego Bioworks

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In qualità di fornitore di servizi, Gingko è ben posizionata per trarre vantaggio dalla crescita del settore nel suo insieme.

Il suo modello di business è in evoluzione, con diverse possibili opzioni per il futuro. Una potrebbe essere il passaggio a una direzione più incentrata sull'hardware, un'iniziativa già avviata con la vendita di laboratori automatizzati ai ricercatori, dopo aver gestito queste strutture principalmente direttamente.

Un'altra opzione potrebbe essere quella di avviare una maggiore produzione su larga scala di bioprodotti per conto terzi. La sua esperienza nelle bioscienze, nella progettazione di hardware di laboratorio e nell'ottimizzazione della produzione per giganti come Merck le conferisce solide credenziali per il successo in questo percorso.

Infine, va anche notato che le attività della società, come ad esempio miliardi di dollari in laboratori automatizzati, sono fortemente scontate alla capitalizzazione di mercato attuale.

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Notizie e ultimi sviluppi sulle azioni di Gingko Bioworks

Riferimento di studio:

1. ^{Biki Bapi Kundu, Et al.(2025) La respirazione extracellulare è un metabolismo energetico latente in Escherichia coli. Cell. 10 aprile 2025. https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(25)00289-2}