För att allt levande ska lyckas, de måste föröka sig och orka göra det. En organisms förmåga att utvinna energi från sin omgivning – och att göra det bättre än sina konkurrenter – är ett nyckelkrav för överlevnad. Tills nyligen trodde man att inom hela biologin, från mikrober till människor, det fanns bara två metoder för att generera och bevara den energi som krävs för cellulär metabolism och överlevnad.

Nu har forskare upptäckt en tredje metod för mikrobiell energiproduktion, kallas "flavin-baserad elektronbifurkation" (FBEB). Denna nyfunna metod är faktiskt en uråldrig form av energigenerering och bevarande men är så olik de kända processerna att den representerar ett paradigmskifte i hur forskare tänker på hur organismer får energi. Mekanismen för hur FBEB fungerar var okänd - det vill säga, tills ett genombrott gjordes av forskare från Biological Electron Transfer and Catalysis (BETCy) Energy Frontier Research Center, vars medlemmar inkluderar Cara E. Lubner, David W. Mulder, och Paul W. King från U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Teamet undersökte tidigare okända egenskaper hos den katalytiska mekanismen, få kritiska, omfattande insikter om hur FBEB fungerar. En av de viktigaste upptäckterna är hur en unik flavinmolekyl kan generera två nivåer av energi från en enda prekursorförening. En nivå används för att utföra en enkel kemisk reaktion, medan den andra mycket mer energiska används för att utföra svårare kemi för att bilda en högenergiförening. Genom att göra så, de två reaktionerna är sammankopplade så att energi som normalt går till spillo bevaras i högenergiföreningen.

FBEB tillåter en organism att få mer energi "pang för pengarna, " och nyckelspelaren är den unika flavinen som gör det möjligt för enzymet att utföra energibesparande kemi till skillnad från någon annan som har studerats. Forskningen ger en ny förståelse av elektronförgrening och sätter en modell av de underliggande mekanistiska principerna som de fungerar enligt." Resultaten bör möjliggöra nya strategier för att konstruera biologiska system för effektivare produktion av bränslen och kemikalier och för att utveckla katalytiska processer som optimerar omvandlingen av elektrokemiska reaktioner, ", sa NREL-forskaren Cara Lubner. "Att förstå biokemin av bifurkation kommer att möjliggöra mer informerade strategier för bioteknikmikrober för att producera högre nivåer av biobränslen och minskade kemikalier."

Detaljer om studien finns i artikeln "Mechanistic insights into energy conservation by flavin-based electron bifurcation" i tidskriften Naturens kemiska biologi . Artikeln skrevs av medlemmar i BETCy, som finns på NREL, Montana State University, Arizona State University, University of Georgia, och University of Kentucky.

"När vi bättre förstår bifurkationsmetoden, vi föreställer oss att nya material och katalysatorer kan designas som har samma ökade effektivitet vid de viktiga kemierna de utför, " noterade NREL-forskaren David Mulder. Ett potentiellt resultat är färre biprodukter från katalytiska processer (biprodukter är vanligtvis följden av energiineffektiva processer) och därför besparingar på material och pengar som spenderas på industriella processer. Det kan också vara möjligt att ta fördel av dessa energieffektiva vägar inuti levande celler genom att konstruera mikrober för att företrädesvis använda dem för att göra bättre produkter som kemikalier, bränslen, eller vätgas.