Uma equipe liderada pelo biocientista da Universidade de Rice Caroline Ajo-Franklin descobriu como algumas bactérias respiram eletricidade, usando um processo natural que empurra os elétrons no que os envolve em vez de respirar oxigênio. Os resultados, publicados na célula no mês passado, podem permitir novos desenvolvimentos em energia limpa e biotecnologia industrial.
Ao identificar a maneira como essas bactérias expulsam externamente os elétrons, os pesquisadores oferecem uma olhada em uma estratégia anteriormente oculta de vida bacteriana. Este trabalho, que combina biologia com eletroquímica, estabelece as fundações para tecnologias futuras que exploram as habilidades únicas desses organismos microscópicos.
“Nossa pesquisa não apenas resolve um mistério científico de longa data, mas também indica uma nova e potencialmente difundida estratégia de sobrevivência”, disse Ajo-Franklin, professor de biosciências, diretor do Rice Synte Biology Institute e um estudioso para a prevenção do câncer e a pesquisa do Texas (CPRIT).
A respiração elétrica explicou
A maioria dos organismos modernos é baseada em oxigênio para metabolizar alimentos e liberar energia. O oxigênio atua como um aceitador final de elétrons em uma cadeia de reações que produz energia. Mas as bactérias, muito mais antigas que os organismos modernos, como seres humanos e plantas, desenvolveram outras maneiras de respirar em ambientes privados de oxigênio, incluindo a ingestão de ar em águas profundas e o intestino humano.
Os pesquisadores descobriram que algumas bactérias usam compostos naturais chamados naphtorquinoni para transferir elétrons para superfícies externas. Esse processo, conhecido como respiração extracelular, imita a maneira como as baterias baixam a corrente elétrica, permitindo que as bactérias prosperem sem oxigênio.
Os cientistas há muito observam essa maneira incomum de respirar e a exploraram em biotecnologia como uma espécie de caixa preta. Agora, uma equipe liderada por Rice descobriu seu mecanismo de torneamento que sugere que a respiração extracelular pode ser muito mais comum na natureza do que se acreditava anteriormente.
“Esse mecanismo de respiração mal descoberto é uma maneira simples e engenhosa de fazer o trabalho”, disse Biki Bapi Kundu, um estudante com doutorado em arroz e o primeiro autor do estudo. “Os Naftaquinoni se comportam como correios moleculares, tirando elétrons da célula para que as bactérias possam quebrar os alimentos e gerar energia”.
Simular a vida sem ar
Os pesquisadores de arroz colaboraram com o Laboratório Paston da Universidade da Califórnia em San Diego para testar seus resultados. Usando a modelagem de computadores avançados, eles simularam o crescimento bacteriano em superfícies condutoras sem oxigênio, mas ricas em superfícies condutivas.
As simulações revelaram que as bactérias poderiam realmente se sustentar baixando elétrons externamente. Outros testes laboratoriais confirmaram que as bactérias colocadas em materiais condutores continuaram a crescer e gerar eletricidade, respirando efetivamente através da superfície.
Essa abordagem interdisciplinar aprofundou a compreensão da versatilidade do metabolismo bacteriano e revelou um método em tempo real para o monitoramento eletronicamente e a influência do comportamento bacteriano.
Aplicações em tecnologia limpa e além
Essa descoberta fundamental tem implicações práticas em grande escala. Processos de biotecnologia, como tratamento de águas residuais e biomandação, podem ser significativamente melhoradas através do melhor gerenciamento dos desequilíbrios eletrônicos. As bactérias que expressam eletricidade podem corrigir esses desequilíbrios para manter os sistemas em operação com eficiência.
“Nosso trabalho estabelece as fundações para explorar o dióxido de carbono por meio de eletricidade renovável, na qual as bactérias funcionam de maneira semelhante às usinas com luz solar na fotossíntese”, disse Ajo-Franklin. “Ele abre as portas para a construção de tecnologias mais inteligentes e sustentáveis com biologia no centro”.
A tecnologia também pode permitir sensores bioeletrônicos em ambientes privados de oxigênio, oferecendo novas ferramentas para diagnóstico médico, monitoramento da poluição e exploração do espaço profundo.
Os co -autores deste estudo incluem Jayanth Krishnan, Richard Szubin, Arjun Patel, Bernhard Padson e Daniel Zielinski da UC San Diego. CPRIT e Novo Nordisk Foundation financiaram o estudo.
