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Bio-Batterie: Bakterien als Stromlieferanten

| Redakteur: Kristin Rinortner

Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie entwickeln einen programmierbaren, biohybriden Nano-Verbundwerkstoff, der Bakterien nutzt, um Strom zu erzeugen. Anwendungen könnten über mikrobielle Biosensoren, Bioreaktoren und Brennstoffzellensysteme hinaus gehen.

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Bakterien-Cyborgs: Die Bakterien (grün) sind in einem Verbundwerkstoff aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (grau) und Kieselsäure-Nanopartikeln (lila) verwoben mit DNA (blau) eingebettet.
Bakterien-Cyborgs: Die Bakterien (grün) sind in einem Verbundwerkstoff aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (grau) und Kieselsäure-Nanopartikeln (lila) verwoben mit DNA (blau) eingebettet.
(Bild: Niemeyer-Lab, KIT)

Noch bestehen elektronische Geräte aus unbelebten Werkstoffen. Eines Tages könnten jedoch „mikrobielle Cyborgs“ in Brennstoffzellen, Biosensoren oder Bioreaktoren nützlich sein. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben hierzu die Voraussetzung geschaffen, indem sie ein programmierbares, biohybrides System entwickelten, das aus einem Nano-Verbundwerkstoff und dem Elektronen produzierenden Bakterium Shewanella oneidensis besteht.

Das Material dient als Stützgerüst für die Bakterien und leitet zugleich den mikrobiell erzeugten Strom. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht.

Shewanella oneidensis: Das Strom erzeugende Bakterium

Das Bakterium Shewanella oneidensis gehört zu den sogenannten exoelektrogenen Bakterien. Diese erzeugen beim Stoffwechsel Elektronen und transportieren sie zur Außenseite der Zelle. 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 vom KIT ist es gelungen, ein Nano-Verbundwerkstoff zu entwickeln, der 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 Niemeyer.

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, wie zum Beispiel Escherichia coli 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 der Verbundwerkstoff die von den Bakterien produzierten Elektronen effizient zu einer Elektrode leiten kann.

Die Prozesssteuerung: Strom an und Strom aus

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 Verbundwerkstoff zerlegt wurde.

„Nach unserer Kenntnis, ist es bisher das erste Mal, dass ein solch komplexes und funktionelles biohybrides Material beschrieben wurde. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass mögliche Anwendungen solcher Materialien sogar über mikrobielle Biosensoren, Bioreaktoren und Brennstoffzellensysteme hinausgehen könnten“, unterstreicht Niemeyer.

Originalpublikation: Yong Hu, David Rehnlund, Edina Klein, Johannes Gescher, Christof M. Niemeyer: „Cultivation of Exoelectrogenic Bacteria in Conductive DNA Nanocomposite Hydrogels Yields a Programmable Biohybrid Materials System”. ACS Applied Materials & Interfaces, DOI 10.1021/acsami.9b22116

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