Påvisning af fermenteringsprocesser i el-genererende bakterier

Et forskerhold bestående af Akihiro Okamoto (seniorforsker, Center for Grøn Forskning i Energi og Miljømaterialer, NIMS), Yoshihide Tokunou (Ph.D.-studerende, Institut for Anvendt Kemi, Ingeniørskolen, University of Tokyo; også modtager af JSPS Research Fellowship for Young Scientists (DC1)) og professor Kazuhito Hashimoto (NIMS -præsident, tidligere tilknyttet Institut for Anvendt Kemi, Ingeniørskolen, University of Tokyo) opdagede, at "elektricitetsgenererende bakterier" brugt i mikrobielle brændselsceller gennemgår gæring, mens de producerer elektricitet, hvilket er i modstrid med den gængse tro på, at bakterierne kun udfører respiration, når de producerer en elektrisk strøm. Holdet identificerede også en mekanisme, hvorved fermenteringsprocessen accelererer. Fordi fermenteringsprocessen har større potentiale end respirationsprocessen i forhold til bakteriernes bidrag til produktionen af ​​forskellige materialer, forøgelse af bakteriens gæringseffektivitet kan føre til udvikling af en ny teknologi, der ikke kun gælder for elproduktion, men også for materialeproduktion.

Bakterier opnår generelt livsvarig energi ved at nedbryde organisk materiale gennem to typer metaboliske processer:respiration og gæring. Elektroner dannes, når de nedbryder organisk materiale (reducerende kraft). Når bakterier respirerer, de får energi ved at overføre elektroner til ekstracellulære elektronacceptable stoffer. Under gæringen, ekstracellulær elektronoverførsel forekommer ikke. I mikrobielle brændselsceller, elektricitetsfrembringende bakterier er i stand til at overføre elektroner genereret ved nedbrydning af organiske materialer til en ekstracellulær elektrode. Som sådan, de kan tjene som kilder til elektricitet. Man havde troet, at disse bakterier kun producerer elektricitet via åndedræt og ikke udfører gæring. Både bakteriel respiration og fermentering har en bred vifte af industrielle anvendelser. Specifikt, fermentering muliggør produktion af en bred vifte af materialer, såsom alkohol, farmaceutiske prækursorer og bioplast. Hvis elproducerende bakterier udfører gæring, det kan være muligt at udvikle ny teknologi, der muliggør samtidig produktion af både materialer og elektricitet.

Forskerholdet fandt for nylig ud af, at den el-producerende bakterie Shewanella oneidensis gennemgår gæringsreaktioner, når den producerer elektricitet. I dette studie, holdet forberedte kulturer af S. oneidensis, som manglede enzymerne involveret i respiration og et andet sæt af S. oneidensis-kulturer, som manglede enzymerne involveret i fermentering. Holdet analyserede derefter elproduktionen og vækstraterne for de to kulturer. Fraværet af de enzymer, der kræves til fermentering, viste sig at være forbundet med dramatiske reduktioner i både mængden af ​​produceret elektrisk strøm og væksthastigheden, mens fraværet af de enzymer, der kræves til respiration, ikke havde nogen effekt på nogen af ​​dem. I tidligere undersøgelser, påvisning af ekstracellulær elektrontransport i S. oneidensis blev antaget at kunne henføres til en respiratorisk proces. Imidlertid, denne undersøgelse viste tilstedeværelsen af ​​intracellulære fermenteringsreaktioner, hvilket indikerer eksistensen af ​​"gæringslignende åndedræt". Det blev også fundet, at hastigheden af ​​fermenteringsreaktionerne sandsynligvis øges ved at øge protontransporthastigheden (positivt ladet hydrogenion), da protoner begrænser hastigheden af ​​elektrontransport. Ved at bruge denne mekanisme, det kan være muligt at øge effektiviteten af ​​fermenteringsreaktioner, der forekommer på elektrodeoverflader i mikrobielle brændselsceller.

Denne forskning opdagede en ny form for metabolisk proces, der finder sted i elproducerende bakterier. I fremtidige undersøgelser, forskerholdet vil søge at forstå mekanismen, der styrer protonoverførselshastigheden, øge fermenteringsreaktionens effektivitet ved hjælp af denne viden og udvikle teknologi, der muliggør effektiv produktion af materialer. Ud over, det er muligt at omdanne Escherichia coli – en modelmikrobe til studiet af biosyntese – til en elektricitetsgenererende bakterie gennem genteknologi, og hastighederne af dets forskellige metaboliske processer, som er i fokus for forskellige F&U-indsatser, sandsynligvis øges ved at øge protontransporthastigheden.