Un equipo de investigación formado por Akihiro Okamoto (Investigador principal, Centro de Investigación Ecológica sobre Energía y Materiales Ambientales, NIMS), Yoshihide Tokunou (estudiante de doctorado, Departamento de Química Aplicada, Escuela de Graduados en Ingeniería, Universidad de Tokio; también recibió la Beca de Investigación JSPS para Jóvenes Científicos (DC1)) y el Profesor Kazuhito Hashimoto (Presidente de NIMS, anteriormente afiliado al Departamento de Química Aplicada, Escuela de Graduados en Ingeniería, Universidad de Tokio) descubrió que las "bacterias generadoras de electricidad" utilizadas en las pilas de combustible microbianas se someten a fermentación mientras producen electricidad, lo cual es contrario a la creencia convencional de que las bacterias solo realizan la respiración cuando producen una corriente eléctrica. El equipo también identificó un mecanismo por el cual se acelera el proceso de fermentación. Debido a que el proceso de fermentación tiene mayor potencial que el proceso de respiración en términos de la contribución de las bacterias a la producción de diversos materiales, El aumento de la eficiencia de fermentación de las bacterias puede conducir al desarrollo de una nueva tecnología aplicable no solo a la generación de electricidad sino también a la producción de material.

Las bacterias generalmente obtienen energía vital al descomponer el material orgánico a través de dos tipos de procesos metabólicos:respiración y fermentación. Los electrones se generan cuando descomponen material orgánico (poder reductor). Cuando las bacterias respiran, obtienen energía transfiriendo electrones a sustancias extracelulares que aceptan electrones. Durante la fermentación, no se produce transferencia extracelular de electrones. En pilas de combustible microbianas, Las bacterias generadoras de electricidad son capaces de transferir electrones generados por la descomposición de materiales orgánicos a un electrodo extracelular. Como tal, pueden servir como fuentes de electricidad. Se creía que estas bacterias producen electricidad solo a través de la respiración y no fermentan. Tanto la respiración bacteriana como la fermentación tienen una amplia gama de aplicaciones industriales. Específicamente, la fermentación permite la producción de una amplia gama de materiales, como los alcoholes, precursores farmacéuticos y bioplásticos. Si las bacterias generadoras de electricidad realizan la fermentación, Tal vez sea posible desarrollar una nueva tecnología que permita la producción simultánea de materiales y electricidad.

El equipo de investigación descubrió recientemente que la bacteria generadora de electricidad Shewanella oneidensis sufre reacciones de fermentación cuando produce electricidad. En este estudio, el equipo preparó cultivos de S. oneidensis que carecían de las enzimas implicadas en la respiración y otro conjunto de cultivos de S. oneidensis que carecían de las enzimas implicadas en la fermentación. Luego, el equipo analizó la producción de electricidad y las tasas de crecimiento de las dos culturas. Se encontró que la ausencia de las enzimas requeridas para la fermentación estaba asociada con reducciones dramáticas tanto en la cantidad de corriente eléctrica producida como en la tasa de crecimiento. mientras que la ausencia de las enzimas necesarias para la respiración no tuvo ningún efecto sobre ninguno de ellos. En estudios anteriores, Se asumió que la detección del transporte extracelular de electrones en S. oneidensis era atribuible a un proceso respiratorio. Sin embargo, este estudio demostró la presencia de reacciones de fermentación intracelular, indicando la existencia de "respiración similar a la fermentación". También se encontró que la velocidad de las reacciones de fermentación probablemente aumenta al mejorar la velocidad de transporte de protones (iones de hidrógeno cargados positivamente), ya que los protones limitan la velocidad de transporte de electrones. Usando este mecanismo, puede ser factible aumentar la eficacia de las reacciones de fermentación que se producen en las superficies de los electrodos en las pilas de combustible microbianas.

Esta investigación detectó un nuevo tipo de proceso metabólico que tiene lugar en bacterias generadoras de electricidad. En estudios futuros, el equipo de investigación buscará comprender el mecanismo que controla la tasa de transferencia de protones, aumentar la eficiencia de la reacción de fermentación utilizando ese conocimiento y desarrollar tecnología que permita la producción eficiente de materiales. Además, Es posible convertir Escherichia coli, un microbio modelo para el estudio de la biosíntesis, en una bacteria generadora de electricidad a través de la ingeniería genética. y las tasas de sus diversos procesos metabólicos, que son el foco de varios esfuerzos de I + D, probablemente aumenten aumentando la tasa de transporte de protones.