Mikrobielle Cyborgs Bakterien als Stromlieferanten

Die Bakterien (grün) sind in einem Kompositmaterial aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (grau) und Kieselsäure-Nanopartikeln (lila) verwoben mit DNA (blau) eingebettet.
Die Bakterien (grün) sind in einem Kompositmaterial aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (grau) und Kieselsäure-Nanopartikeln (lila) verwoben mit DNA (blau) eingebettet.

Forscher des Karlsruher KIT entwickeln ein programmierbares, biohybrides Materialsystem, das Bakterien zur Erzeugung von Strom nutzt. In Zukunft sollen Brennstoffzellen, Biosensoren oder Bioreaktoren von dem organischen System profitieren, das mikrobiell erzeugten Strom leitet.

Noch bestehen elektronische Geräte aus unbelebten Materialien. Das Elektronen
produzierenden Bakterium Shewanella oneidensis könnte dies ändern. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologe (KIT) haben ein Stützgerüst aus Nanokomposit-Material entwickelt, welches den von den Bakterien produzierten Strom gleichzeitig leitet.

Strom aus Bakterien?
Das Bakterium Shewanella oneidensis gehört zu den sogenannten exoelektrogenen Bakterien. Diese können im Stoffwechselprozess Elektronen erzeugen und zur Außenseite der Zelle transportieren. Der Versuch, diese Elektrizität nutzbar zu machen, war jedoch immer durch eine eingeschränkte Interaktion der Organismen mit der Elektrode begrenzt. Im Unterschied zu herkömmlichen Batterien muss das Material bei dieser „Biobatterie“ nicht nur die Elektronen zu einer Elektrode leiten, sondern zugleich möglichst viele Bakterien optimal mit der Elektrode verbinden. Bislang waren jedoch leitende Materialien, in die Bakterien eingebettet werden können, entweder ineffizient oder es fehlte die Möglichkeit, den elektrischen Strom zu steuern.

Dem Team um Professor Christof M. Niemeyer gelang es nun, ein Nanokomposit-Material zu entwickeln, welches das Wachstum von exoelektrogenen Bakterien unterstützt und zugleich den Strom kontrolliert leitet. »Wir haben dazu ein poröses Hydrogel hergestellt, das aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Kieselsäure-Nanopartikeln besteht. Diese sind durch DNA-Stränge miteinander verwoben«, erläutert der Forschungsleiter. Dem Gerüst fügte die Arbeitsgruppe das Bakterium
Shewanella oneidensis sowie ein flüssiges Nährmedium zu. Die Kombination
aus verschiedenen Materialien und Mikroben funktionierte: »Die Kultivierung von Shewanella oneidensis in den leitfähigen Materialien zeigt, dass die exoelektrogenen Bakterien das Gerüst besiedeln, während andere Bakterien nur auf der Oberfläche der Matrix bleiben«, erläutert der Mikrobiologe Professor Johannes Gescher. Darüber hinaus konnten das Forschungsteam belegen, dass der Elektronenfluss zunahm, je mehr Bakterienzellen die leitfähige, synthetische Matrix besiedelten. Dieser biohybride Verbund blieb mehrere Tage lang stabil und zeigte elektrochemische
Aktivität, ein Beleg, dass das Verbundmaterial die von den Bakterien produzierten Elektronen effizient zu einer Elektrode leiten kann.

Anwendungen können Leitfähigkeit steuern
Neben der Leitfähigkeit benötigt ein solches System auch die Möglichkeit, den Prozess zu steuern. Auch dies gelang im Experiment: Um den Strom abzuschalten, fügten die Forschenden ein Enzym hinzu, das DNA-Stränge zerschneidet, wodurch das Verbundmaterial zerlegt wurde.

Laut dem KIT-Forschungsteam ist es bisher das erste Mal, dass ein solch komplexes und funktionelles biohybrides Material beschrieben wurde. Insgesamt deuten die Ergebnisse nach Aussagen von Prof. Niemayer darauf hin, dass mögliche Anwendungen solcher Materialien sogar über mikrobielle Biosensoren, Bioreaktoren und Brennstoffzellensysteme hinausgehen könnten.