Om alle levende wezens te laten slagen, ze moeten zich voortplanten en de energie hebben om dat te doen. Het vermogen van een organisme om energie uit zijn omgeving te halen - en om het beter te doen dan zijn concurrenten - is een essentiële vereiste om te overleven. Tot voor kort dacht men dat in de hele biologie, van microben tot mensen, er waren slechts twee methoden om de energie te genereren en te behouden die nodig is voor cellulair metabolisme en overleving.

Nu hebben onderzoekers een derde methode voor microbiële energieproductie ontdekt, genaamd "op flavine gebaseerde elektronenbifurcatie" (FBEB). Deze nieuw ontdekte methode is eigenlijk een oude vorm van energieopwekking en -behoud, maar verschilt zo van de bekende processen dat het een paradigmaverschuiving vertegenwoordigt in hoe wetenschappers denken over de manier waarop organismen energie verkrijgen. Het mechanisme van hoe FBEB werkt was onbekend, dat wil zeggen, totdat een doorbraak werd gemaakt door onderzoekers van het Biological Electron Transfer and Catalysis (BETCy) Energy Frontier Research Center, met als leden Cara E. Lubner, David W. Mulder, en Paul W. King van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Het team onderzocht voorheen onbekende kenmerken van het katalytische mechanisme, kritisch worden, uitgebreide inzichten over de manier waarop FBEB werkt. Een van de belangrijkste bevindingen is hoe een uniek flavinemolecuul in staat is om twee niveaus van energie te genereren uit een enkele voorloperverbinding. Eén niveau wordt gebruikt om een ​​eenvoudige chemische reactie uit te voeren, terwijl de andere veel energieker wordt gebruikt om moeilijkere chemie uit te voeren om een ​​hoogenergetische verbinding te vormen. Daarbij, de twee reacties zijn aan elkaar gekoppeld zodat de energie die normaal verspild wordt, behouden blijft in de hoogenergetische verbinding.

FBEB stelt een organisme in staat om meer energie te krijgen "waar voor zijn geld, " en de belangrijkste speler is de unieke flavine die het enzym in staat stelt om energiebesparende chemie uit te voeren in tegenstelling tot alle andere die zijn bestudeerd. Het onderzoek brengt een nieuw begrip van elektronenbifurcatie en vormt een model van de onderliggende mechanistische principes waarmee ze functioneren. " De resultaten moeten nieuwe strategieën mogelijk maken voor het ontwerpen van biologische systemen voor een efficiëntere productie van brandstoffen en chemicaliën en voor het ontwikkelen van katalytische processen die de omzetting van elektrochemische reacties optimaliseren, "Zei NREL-onderzoeker Cara Lubner. "Het begrijpen van de biochemie van bifurcatie zal beter geïnformeerde strategieën mogelijk maken voor bio-engineering microben om hogere niveaus van biobrandstoffen en minder chemicaliën te produceren."

Details van de studie zijn te vinden in het artikel "Mechanistische inzichten in energiebehoud door op flavine gebaseerde elektronenbifurcatie" in het tijdschrift Natuur Chemische Biologie . Het artikel is geschreven door leden van de BETCy, die zijn gevestigd op NREL, Montana Staatsuniversiteit, Staatsuniversiteit van Arizona, de Universiteit van Georgië, en de Universiteit van Kentucky.

"Omdat we de bifurcatiemethode beter begrijpen, we stellen ons voor dat er nieuwe materialen en katalysatoren kunnen worden ontworpen die dezelfde verhoogde efficiëntie hebben bij de belangrijke chemie die ze uitvoeren, ", merkte NREL-wetenschapper David Mulder op. Een mogelijk resultaat is minder bijproducten van katalytische processen (bijproducten zijn meestal het gevolg van energie-inefficiënte processen) en dus besparingen op materialen en geld dat wordt uitgegeven aan industriële processen. Het kan ook mogelijk zijn om voordeel van deze energie-efficiënte paden in levende cellen door microben te manipuleren om ze bij voorkeur te gebruiken om betere producten te maken, zoals chemicaliën, brandstoffen, of waterstofgas.