Een onderzoeksteam bestaande uit Akihiro Okamoto (Senior Researcher, Centrum voor groen onderzoek naar energie en milieumaterialen, NIMS), Yoshihide Tokunou (promovendus, Vakgroep Toegepaste Chemie, Graduate School of Engineering, Universiteit van Tokio; ook een ontvanger van de JSPS Research Fellowship for Young Scientists (DC1)) en professor Kazuhito Hashimoto (NIMS President, voorheen verbonden aan de faculteit Toegepaste Chemie, Graduate School of Engineering, University of Tokyo) ontdekte dat "elektriciteitsgenererende bacteriën" die in microbiële brandstofcellen worden gebruikt, fermentatie ondergaan terwijl ze elektriciteit produceren, wat in strijd is met de conventionele overtuiging dat de bacteriën alleen ademen wanneer ze een elektrische stroom produceren. Het team identificeerde ook een mechanisme waardoor het fermentatieproces versnelt. Omdat het fermentatieproces een groter potentieel heeft dan het ademhalingsproces in termen van de bijdrage van de bacteriën aan de productie van diverse materialen, het verhogen van de fermentatie-efficiëntie van de bacteriën kan leiden tot de ontwikkeling van een nieuwe technologie die niet alleen toepasbaar is op elektriciteitsopwekking, maar ook op materiaalproductie.

Bacteriën verkrijgen over het algemeen levensondersteunende energie door organisch materiaal af te breken via twee soorten metabolische processen:ademhaling en fermentatie. Elektronen worden gegenereerd wanneer ze organisch materiaal afbreken (verminderend vermogen). Als bacteriën ademen, ze winnen energie door elektronen over te dragen naar extracellulaire elektronen-accepterende stoffen. Tijdens de fermentatie, extracellulaire elektronenoverdracht vindt niet plaats. In microbiële brandstofcellen, Elektriciteitsgenererende bacteriën zijn in staat elektronen die worden gegenereerd door de ontbinding van organische materialen over te dragen naar een extracellulaire elektrode. Als zodanig, ze kunnen dienen als bronnen van elektriciteit. Men geloofde dat deze bacteriën alleen elektriciteit produceren via de ademhaling en geen fermentatie uitvoeren. Zowel bacteriële ademhaling als fermentatie hebben een breed scala aan industriële toepassingen. specifiek, fermentatie maakt de productie van een breed scala aan materialen mogelijk, zoals alcoholen, farmaceutische voorlopers en bioplastics. Als elektriciteit-opwekkende bacteriën fermentatie uitvoeren, misschien is het mogelijk om nieuwe technologie te ontwikkelen die de gelijktijdige productie van zowel materialen als elektriciteit mogelijk maakt.

Het onderzoeksteam ontdekte onlangs dat de elektriciteitsopwekkende bacterie Shewanella oneidensis fermentatiereacties ondergaat bij het produceren van elektriciteit. In dit onderzoek, het team bereidde culturen van S. oneidensis die de enzymen misten die betrokken zijn bij de ademhaling en een andere reeks S. oneidensis-culturen die de enzymen misten die betrokken zijn bij fermentatie. Het team analyseerde vervolgens de elektriciteitsproductie en groeisnelheden van de twee culturen. De afwezigheid van de enzymen die nodig zijn voor fermentatie bleek geassocieerd te zijn met dramatische verminderingen van zowel de hoeveelheid geproduceerde elektrische stroom als de groeisnelheid, terwijl de afwezigheid van de enzymen die nodig zijn voor de ademhaling op beide geen effect had. In eerdere onderzoeken is detectie van extracellulair elektronentransport in S. oneidensis werd verondersteld toe te schrijven aan een ademhalingsproces. Echter, deze studie toonde de aanwezigheid van intracellulaire fermentatiereacties aan, wat wijst op het bestaan ​​van 'fermentatie-achtige ademhaling'. Er werd ook gevonden dat de snelheid van de fermentatiereacties waarschijnlijk toeneemt door de transportsnelheid van protonen (positief geladen waterstofionen) te verhogen, omdat protonen de snelheid van elektronentransport beperken. Met behulp van dit mechanisme, het kan mogelijk zijn om de efficiëntie van fermentatiereacties die optreden op elektrode-oppervlakken in microbiële brandstofcellen te verhogen.

Dit onderzoek ontdekte een nieuw type metabolisch proces dat plaatsvindt in elektriciteit-opwekkende bacteriën. In toekomstige studies, het onderzoeksteam zal proberen het mechanisme te begrijpen dat de protonoverdrachtssnelheid regelt, de efficiëntie van de fermentatiereactie verhogen met behulp van die kennis en technologie ontwikkelen die de efficiënte productie van materialen mogelijk maakt. In aanvulling, het is mogelijk om Escherichia coli, een modelmicrobe voor de studie van biosynthese, om te zetten in een elektriciteitgenererende bacterie door middel van genetische manipulatie, en de snelheden van zijn verschillende metabolische processen, waarop verschillende R&D-inspanningen zijn gericht, waarschijnlijk verhogen door de protontransportsnelheid te verhogen.