Chiến lược sinh tồn của vi khuẩn tạo ra điện có thể định hình lại các hệ thống công nghệ sinh học và năng lượng
Tác giả: Marcy de Luna, Đại học Rice
Các nhà nghiên cứu bao gồm Caroline Ajo-Franklin và Biki Bapi Kundu đã phát hiện ra cách một số vi khuẩn thở bằng cách tạo ra điện. Nguồn: Jeff Fitlow / Đại học Rice.
Một nhóm do nhà khoa học sinh học Caroline Ajo-Franklin của Đại học Rice dẫn đầu đã phát hiện ra cách một số vi khuẩn thở bằng cách tạo ra điện, sử dụng một quá trình tự nhiên đẩy electron vào môi trường xung quanh thay vì hít thở oxy.
Những phát hiện, được công bố trên tạp chí Cell, có thể tạo ra những phát triển mới trong năng lượng sạch và công nghệ sinh học công nghiệp.
Bằng cách xác định cách những vi khuẩn này đẩy electron ra bên ngoài, các nhà nghiên cứu đã cung cấp cái nhìn thoáng qua về một chiến lược trước đây bị ẩn giấu của sự sống vi khuẩn. Công trình này, kết hợp sinh học với điện hóa học, đặt nền tảng cho các công nghệ trong tương lai khai thác khả năng độc đáo của những sinh vật cực nhỏ này.
"Nghiên cứu của chúng tôi không chỉ giải quyết một bí ẩn khoa học lâu đời mà còn chỉ ra một chiến lược sinh tồn mới và có khả năng lan rộng trong tự nhiên", Ajo-Franklin, giáo sư khoa học sinh học, giám đốc Viện Sinh học Tổng hợp Rice và Học giả Viện Nghiên cứu và Phòng ngừa Ung thư Texas (CPRIT) cho biết.
Giải thích về hô hấp điện
Hầu hết các sinh vật hiện đại đều dựa vào oxy để chuyển hóa thức ăn và giải phóng năng lượng. Oxy đóng vai trò là chất nhận electron cuối cùng trong chuỗi phản ứng tạo ra năng lượng. Nhưng vi khuẩn, vốn già hơn nhiều so với các sinh vật hiện đại như con người và thực vật, đã tiến hóa theo những cách khác để hô hấp trong môi trường thiếu oxy, bao gồm các lỗ thông hơi dưới biển sâu và ruột người.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng một số vi khuẩn sử dụng các hợp chất tự nhiên gọi là naphthoquinone để truyền electron ra bề mặt bên ngoài. Quá trình này, được gọi là hô hấp ngoại bào, mô phỏng cách pin xả dòng điện, cho phép vi khuẩn phát triển mà không cần oxy.
Các nhà khoa học từ lâu đã quan sát thấy chế độ hô hấp bất thường này và khai thác nó trong công nghệ sinh học như một thứ gì đó giống như hộp đen. Hiện nay, một nhóm do Rice dẫn đầu đã phát hiện ra cơ chế của nó—một bước đột phá cho thấy hô hấp ngoại bào có thể phổ biến hơn nhiều trong tự nhiên so với những gì chúng ta từng nghĩ.
"Cơ chế hô hấp mới được phát hiện này là một cách đơn giản và khéo léo để hoàn thành công việc", Biki Bapi Kundu, một nghiên cứu sinh tiến sĩ của Rice và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết. "Naphthoquinone hoạt động như những chất chuyển phát phân tử, mang electron ra khỏi tế bào để vi khuẩn có thể phân hủy thức ăn và tạo ra năng lượng".
Tóm tắt đồ họa. Tín dụng: Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.03.016
Mô phỏng sự sống không có không khí
Các nhà nghiên cứu của Rice đã hợp tác với phòng thí nghiệm Palsson tại Đại học California San Diego để kiểm tra những phát hiện của họ. Sử dụng mô hình máy tính tiên tiến, họ đã mô phỏng sự phát triển của vi khuẩn trong môi trường không có oxy nhưng giàu bề mặt dẫn điện.
Các mô phỏng cho thấy rằng vi khuẩn thực sự có thể tự duy trì bằng cách giải phóng electron ra bên ngoài. Các xét nghiệm trong phòng thí nghiệm tiếp theo đã xác nhận rằng vi khuẩn được đặt trên vật liệu dẫn điện tiếp tục phát triển và tạo ra điện, thực sự thở qua bề mặt.
Phương pháp tiếp cận liên ngành này đã làm sâu sắc thêm sự hiểu biết về tính linh hoạt của quá trình trao đổi chất của vi khuẩn và tiết lộ một phương pháp theo thời gian thực để theo dõi và tác động đến hành vi của vi khuẩn bằng điện tử.
Ứng dụng trong công nghệ sạch và hơn thế nữa
Khám phá cơ bản này có ý nghĩa thực tế sâu rộng. Các quy trình công nghệ sinh học như xử lý nước thải và sản xuất sinh học có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc quản lý tốt hơn sự mất cân bằng electron. Vi khuẩn thải ra điện có thể khắc phục những sự mất cân bằng này để duy trì hoạt động hiệu quả của hệ thống.
"Công trình của chúng tôi đặt nền tảng cho việc khai thác carbon dioxide thông qua điện tái tạo, trong đó vi khuẩn hoạt động tương tự như thực vật có ánh sáng mặt trời trong quá trình quang hợp", Ajo-Franklin cho biết. "Nó mở ra cánh cửa để xây dựng các công nghệ thông minh hơn, bền vững hơn với cốt lõi là sinh học".
Công nghệ này cũng có thể cho phép sử dụng các cảm biến điện tử sinh học trong môi trường thiếu oxy, cung cấp các công cụ mới để chẩn đoán y tế, giám sát ô nhiễm và thám hiểm không gian sâu.
Đồng tác giả của nghiên cứu này bao gồm Jayanth Krishnan, Richard Szubin, Arjun Patel, Bernhard Palsson và Daniel Zielinski của UC San Diego.
Thông tin thêm: Biki Bapi Kundu và cộng sự, Hô hấp ngoại bào là quá trình chuyển hóa năng lượng tiềm ẩn ở Escherichia coli, Tế bào (2025).DOI: 10.1016/j.cell.2025.03.016
