Microbiële cyborgs: bacteriën die stroom leveren

De bevindingen worden gerapporteerd in ACS Applied Materials & Interfaces.

De bacterie Shewanella oneidensis behoort tot de zogenaamde exoelectrogene bacteriën. Deze bacteriën kunnen tijdens het metabolisme elektronen produceren en deze naar de buitenkant van de cel transporteren. Het gebruik van dit type elektriciteit is echter altijd beperkt geweest door de beperkte interactie van organismen en elektroden. In tegenstelling tot conventionele batterijen moet het materiaal van deze ‘organische batterij’ niet alleen elektronen naar een elektrode te geleiden, maar ook zoveel mogelijk bacteriën optimaal op deze elektrode aansluiten. Tot dusver waren geleidende materialen waarin bacteriën kunnen worden ingebed inefficiënt, of was het onmogelijk om de elektrische stroom te regelen.

Het team van professor Christof Niemeyer is er nu in geslaagd een nanocomposiet te ontwikkelen dat de groei van exo-elektrische bacteriën ondersteunt en tegelijkertijd de stroom op een gecontroleerde manier geleidt. "We produceerden een poreuze hydrogel die bestaat uit koolstof nanobuisjes en silicium nanodeeltjes verweven door DNA strengen", zegt Niemeyer. Vervolgens voegde de groep de bacterie Shewanella oneidensis en vloeibare voeding toe aan de matrix. En deze combinatie van materialen en microben werkte. "Het kweken van Shewanella oneidensis in geleidende materialen toont aan dat exo-elektrogene bacteriën zich in de matrix nestelen, terwijl andere bacteriën, zoals Escherichia coli, aan het oppervlak blijven", zegt microbioloog Professor Johannes Gescher. Daarnaast bewees het team dat de elektronenstroom toenam met een toenemend aantal bacteriële cellen die zich op de geleidende, synthetische matrix nestelden. Deze biohybride composiet bleef enkele dagen stabiel en vertoonde elektrochemische activiteit, wat bevestigt dat de composiet op efficiënte wijze door de bacteriën geproduceerde elektronen naar een elektrode kan geleiden. 

Zo’n systeem moet niet alleen geleidend zijn, het moet ook het proces kunnen sturen. Ook dit werd bereikt in het experiment: om de stroom uit te schakelen, voegden de onderzoekers een enzym toe dat de DNA-strengen doorsnijdt, waardoor de composiet wordt afgebroken. 

"Voor zover we weten is voor het eerst zo’n complex, functioneel biohybride materiaal beschreven. We denken dat mogelijke toepassingen van dergelijke materialen zelfs verder reiken dan microbiële biosensoren, bioreactoren en brandstofcelsystemen ", zegt Niemeyer.