Une équipe de recherche composée d'Akihiro Okamoto (chercheur principal, Centre de recherche verte sur l'énergie et les matériaux environnementaux, NIMS), Yoshihide Tokunou (étudiant au doctorat, Département de chimie appliquée, Ecole Supérieure d'Ingénieurs, Université de Tokyo ; également récipiendaire de la bourse de recherche JSPS pour les jeunes scientifiques (DC1)) et du professeur Kazuhito Hashimoto (président du NIMS, anciennement affilié au Département de chimie appliquée, Ecole Supérieure d'Ingénieurs, Université de Tokyo) a découvert que les "bactéries génératrices d'électricité" utilisées dans les piles à combustible microbiennes subissent une fermentation tout en produisant de l'électricité, ce qui est contraire à la croyance conventionnelle selon laquelle les bactéries n'effectuent la respiration qu'en produisant un courant électrique. L'équipe a également identifié un mécanisme par lequel le processus de fermentation accélère. Parce que le processus de fermentation a un plus grand potentiel que le processus de respiration en termes de contribution des bactéries à la production de matériaux divers, l'augmentation de l'efficacité de fermentation des bactéries peut conduire au développement d'une nouvelle technologie applicable non seulement à la production d'électricité mais aussi à la production de matériaux.

Les bactéries obtiennent généralement l'énergie vitale en décomposant la matière organique par le biais de deux types de processus métaboliques :la respiration et la fermentation. Les électrons sont générés lorsqu'ils décomposent la matière organique (puissance réductrice). Lorsque les bactéries respirent, ils acquièrent de l'énergie en transférant des électrons à des substances extracellulaires acceptant les électrons. Pendant la fermentation, il n'y a pas de transfert extracellulaire d'électrons. Dans les piles à combustible microbiennes, les bactéries génératrices d'électricité sont capables de transférer des électrons générés par la décomposition de matières organiques à une électrode extracellulaire. En tant que tel, ils peuvent servir de sources d'électricité. On croyait que ces bactéries ne produisaient de l'électricité que par la respiration et n'effectuaient pas de fermentation. La respiration bactérienne et la fermentation ont toutes deux un large éventail d'applications industrielles. Spécifiquement, la fermentation permet la production d'un large éventail de matériaux, comme les alcools, précurseurs pharmaceutiques et bioplastiques. Si des bactéries génératrices d'électricité effectuent la fermentation, il peut être possible de développer une nouvelle technologie qui permettra la production simultanée de matériaux et d'électricité.

L'équipe de recherche a récemment découvert que la bactérie génératrice d'électricité Shewanella oneidensis subit des réactions de fermentation lors de la production d'électricité. Dans cette étude, l'équipe a préparé des cultures de S. oneidensis dépourvues des enzymes impliquées dans la respiration et un autre ensemble de cultures de S. oneidensis dépourvues des enzymes impliquées dans la fermentation. L'équipe a ensuite analysé la production d'électricité et les taux de croissance des deux cultures. L'absence des enzymes nécessaires à la fermentation s'est avérée être associée à des réductions spectaculaires à la fois de la quantité de courant électrique produit et du taux de croissance, tandis que l'absence des enzymes nécessaires à la respiration n'a eu aucun effet sur l'un ou l'autre. Dans les études précédentes, la détection du transport extracellulaire d'électrons chez S. oneidensis a été supposée être attribuable à un processus respiratoire. Cependant, cette étude a démontré la présence de réactions de fermentation intracellulaire, indiquant l'existence d'une "respiration de type fermentation". Il a également été constaté que le taux des réactions de fermentation augmente probablement en augmentant le taux de transport des protons (ions hydrogène chargés positivement), car les protons limitent le taux de transport des électrons. En utilisant ce mécanisme, il peut être possible d'augmenter l'efficacité des réactions de fermentation se produisant sur les surfaces des électrodes dans les piles à combustible microbiennes.

Cette recherche a détecté un nouveau type de processus métabolique qui se déroule dans les bactéries génératrices d'électricité. Dans les études futures, l'équipe de recherche cherchera à comprendre le mécanisme contrôlant le taux de transfert de protons, augmenter l'efficacité de la réaction de fermentation en utilisant ces connaissances et développer une technologie qui permettra la production efficace de matériaux. En outre, il est possible de convertir Escherichia coli―un microbe modèle pour l'étude de la biosynthèse―en une bactérie génératrice d'électricité par génie génétique, et les taux de ses divers processus métaboliques, qui font l'objet de divers efforts de R&D, probablement augmenter en augmentant le taux de transport des protons.