Perché tutti gli esseri viventi abbiano successo, devono riprodursi e avere l'energia per farlo. La capacità di un organismo di estrarre energia dall'ambiente circostante, e di farlo meglio dei suoi concorrenti, è un requisito fondamentale per la sopravvivenza. Fino a poco tempo fa si pensava che in tutta la biologia, dai microbi all'uomo, c'erano solo due metodi per generare e conservare l'energia necessaria per il metabolismo cellulare e la sopravvivenza.

Ora i ricercatori hanno scoperto un terzo metodo di produzione di energia microbica, chiamata "biforcazione elettronica a base di flavina" (FBEB). Questo metodo appena scoperto è in realtà un'antica forma di generazione e conservazione dell'energia, ma è così diverso dai processi conosciuti che rappresenta un cambiamento di paradigma nel modo in cui gli scienziati pensano al modo in cui gli organismi ottengono energia. Il meccanismo di funzionamento di FBEB era sconosciuto, vale a dire, fino a quando non è stata fatta una svolta dai ricercatori del Biological Electron Transfer and Catalysis (BETCy) Energy Frontier Research Center, i cui membri includono Cara E. Lubner, David W. Mulder, e Paul W. King del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Il team ha esaminato caratteristiche precedentemente sconosciute del meccanismo catalitico, ottenendo criticità, approfondimenti completi sul modo in cui funziona FBEB. Una delle scoperte più importanti è come un'unica molecola di flavina sia in grado di generare due livelli di energia da un singolo composto precursore. Un livello viene utilizzato per eseguire una facile reazione chimica, mentre l'altro molto più energico viene utilizzato per eseguire chimica più difficile per formare un composto ad alta energia. Così facendo, le due reazioni sono accoppiate insieme in modo che l'energia che normalmente viene sprecata sia conservata nel composto ad alta energia.

FBEB consente a un organismo di ottenere più energia "bang for its buck, " e l'attore chiave è l'unico flavina che consente all'enzima di eseguire una chimica di conservazione dell'energia diversa da qualsiasi altra studiata. La ricerca porta una nuova comprensione della biforcazione degli elettroni e stabilisce un modello dei principi meccanicistici sottostanti con cui funzionano. " I risultati dovrebbero consentire nuove strategie per l'ingegneria dei sistemi biologici per una produzione più efficiente di combustibili e prodotti chimici e per lo sviluppo di processi catalitici che ottimizzino la conversione delle reazioni elettrochimiche, " ha detto il ricercatore NREL Cara Lubner. "Comprendere la biochimica della biforcazione consentirà strategie più informate per i microbi della bioingegneria per produrre livelli più elevati di biocarburanti e sostanze chimiche ridotte".

I dettagli dello studio possono essere trovati nell'articolo "Approfondimenti meccanicistici sulla conservazione dell'energia mediante biforcazione di elettroni a base di flavina" nella rivista Natura chimica biologia . L'articolo è stato scritto da membri del BETCy, che si trovano al NREL, Università statale del Montana, Università statale dell'Arizona, l'Università della Georgia, e l'Università del Kentucky.

"Poiché comprendiamo meglio il metodo della biforcazione, prevediamo che potrebbero essere progettati nuovi materiali e catalizzatori che abbiano la stessa maggiore efficienza nelle importanti sostanze chimiche che svolgono, " ha osservato lo scienziato NREL David Mulder. Un potenziale risultato è un minor numero di sottoprodotti dei processi catalitici (i sottoprodotti sono solitamente la conseguenza di processi inefficienti dal punto di vista energetico) e quindi risparmi sui materiali e denaro spesi per i processi industriali. Potrebbe anche essere possibile prendere vantaggio di questi percorsi efficienti dal punto di vista energetico all'interno delle cellule viventi progettando microbi per utilizzarli preferenzialmente per realizzare prodotti migliori come prodotti chimici, combustibili, o idrogeno.