MIT-Chip findet die besten stromerzeugenden Bakterien

| Autor: Thomas Kuther

Sortiert Bakterien nach ihrer Fähigkeit, Strom zu erzeugen: der Microfluidic Chip des MIT.
Sortiert Bakterien nach ihrer Fähigkeit, Strom zu erzeugen: der Microfluidic Chip des MIT. (Bild: Qianru Wang)

MIT-Wissenschaftler haben eine Technologie entwickelt, mit der sich Mikroben finden lassen, die zur Stromerzeugung oder zur Umweltsanierung eingesetzt werden können.

Das Leben unter extremen Bedingungen erfordert kreative Anpassungen. So haben Bakterienarten in sauerstoffarmen Umgebungen einen Weg gefunden, ohne Sauerstoff auszukommen. Diese widerstandsfähigen Mikroben, die tief in Minen, auf dem Grund von Seen und sogar im menschlichen Darm zu finden sind, haben eine Form der Atmung entwickelt, bei der Elektronen ausgeschieden werden. Mit anderen Worten, diese Mikroben können Strom produzieren.

Wissenschaftler erforschen Möglichkeiten, wie sich diese mikrobiellen Kraftwerke u.a. für den Betrieb von Brennstoffzellen oder die Reinigung von Abwasser nutzen lassen. Die elektrischen Eigenschaften solcher Mikroben zu erforschen war eine Herausforderung. Jetzt haben die Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine mikrofluidische Technik entwickelt, mit der sich kleine Proben von Bakterien schnell verarbeiten und bestimmte Eigenschaften messen lassen, so z.B. die Fähigkeit, Strom zu produzieren. Auf diese Weise kann die elektrochemische Aktivität eines Bakteriums sicherer und effizienter als mit herkömmlichen Techniken beurteilt werden.

„Wir wollen die besten Kandidaten finden, die die gewünschten Eigenschaften mitbringen“, erklärt Qianru Wang, Postdoc am MIT Department of Mechanical Engineering.

„Aktuelle Forschungen deuten darauf hin, dass es zahlreiche Bakterien gibt, die Strom erzeugen können“, ergänzt Cullen Buie, Associate Professor of Mechanical Engineering am MIT. „Deshalb wäre ein Werkzeug sinnvoll, mit dem wir diese Organismen untersuchen können.“

Buie und Wang haben ihre Ergebnisse in Science Advances veröffentlicht.

Zwischen den Fröschen

Bakterien erzeugen Elektrizität, indem sie Elektronen in ihren Zellen erzeugen und diese Elektronen dann über winzige Kanäle über ihre Zellmembranen übertragen. Dieser Prozess ist als extrazellulärer Elektronentransfer oder EET bekannt.

Bisher wird die elektrochemischen Aktivität von Bakterien erforscht, indem man große Zellchargen züchtet und die Aktivität von EET-Proteinen misst – ein akribischer, zeitaufwendiger Prozess. Andere Techniken erfordern den Bruch einer Zelle, um die Proteine zu reinigen und zu untersuchen. Buie suchte nach einer schnelleren, weniger destruktiven Methode, um die elektrische Funktion von Bakterien zu beurteilen.

Seit 10 Jahren baut seine Gruppe Mikrofluidik-Chips mit kleinen, geätzten Kanälen, durch die Proben fließen. Jeder Kanal ist in der Mitte verengt wie eine Sanduhr. Wenn nun eine Spannung an einem Kanal angelegt wird, drückt der eingeklemmte Abschnitt – etwa 100 mal kleiner als der Rest des Kanals – das elektrische Feld zusammen und verstärkt es so, dass es um Faktor 100 stärker ist als das Umfeld. Der Gradient des elektrischen Feldes erzeugt ein Phänomen, das als Dielektrophorese bekannt ist, oder eine Kraft, die die Zelle gegen ihre durch das elektrische Feld induzierte Bewegung drückt. Infolgedessen kann die Dielektrophorese ein Partikel abstoßen oder in seinen Bahnen bei unterschiedlichen angelegten Spannungen stoppen, abhängig von den Oberflächeneigenschaften dieses Partikels.

Forscher wie Buie haben die Dielektrophorese eingesetzt, um Bakterien schnell nach allgemeinen Eigenschaften wie Größe und Art zu sortieren. Diesmal fragte sich Buie, ob die Technik die elektrochemische Aktivität der Bakterien herausfinden könnte – eine viel subtilere Eigenschaft.

„Im Grunde genommen wurde die Dielektrophorese bislang benutzt, um Bakterien zu trennen, die so unterschiedlich sind wie ein Frosch und ein Vogel. Wir dagegen versuchen nun, zwischen Froschgeschwistern zu unterscheiden – das sind deutlich kleinere Unterschiede“, betont Wang.

Eine elektrische Korrelation

In ihrer neuen Studie verglichen die Forscher mihilfe ihres mikrofluidischen Aufbaus verschiedene Bakterienstämme unterschiedlicher elektrochemischer Aktivität. Zu den Stämmen gehörten ein „Wildtyp“ – oder natürlicher Bakterienstamm, der aktiv Strom in mikrobiellen Brennstoffzellen produziert, sowie mehrere Stämme, die von den Forschern gentechnisch verändert wurden. Das Team wollte herausfinden, ob es einen Zusammenhang zwischen der elektrischen Leistungsfähigkeit eines Bakteriums und seinem Verhalten in einem mikrofluidischen Gerät unter einer dielektrophoretischen Kraft gibt.

Die Wissenschaftler ließen sehr kleine Proben in der Größenordnung von Mikrolitern jedes Bakterienstammes durch den sanduhrförmigen Mikrofluidikkanal fließen und erhöhten langsam die Spannung am Kanal von 0 auf 80 V. Dank einer bildgebenden Technik, der Partikelbild-Velocimetrie, beobachteten sie, wie das elektrische Feld Bakterienzellen durch den Kanal trieb, bis sie sich schließlich der Verengung näherten, wo das viel stärkere Feld wirkte, um die Bakterien durch Dielektrophorese zurückzudrängen und sie an Ort und Stelle einzufangen.

Einige Bakterien wurden bei niedrigeren Spannungen und andere bei höheren Spannungen gefangen. Wang nahm die „Fangspannung“ für jede Bakterienzelle zur Kenntnis, maß ihre Zellgröße und berechnete dann mit einer Computersimulation die Polarisierbarkeit einer Zelle – wie einfach es für eine Zelle ist, als Reaktion auf ein externes elektrisches Feld elektrische Dipole zu bilden.

Wang entdeckte aus ihren Berechnungen, dass Bakterien, die elektrochemisch aktiver waren, tendenziell eine höhere Polarisierbarkeit aufweisen. Sie beobachtete diese Korrelation über alle Arten von Bakterien, die die Gruppe getestet hatte.

„Wir haben gezeigt, dass es einen Zusammenhang zwischen Polarisierbarkeit und elektrochemischer Aktivität gibt“, freut sich Wang. „Tatsächlich könnten wir die Polarisierbarkeit verwenden, um Mikroorganismen mit hoher elektrochemischer Aktivität zu bestimmen.“ Laut Wang konnten die Forscher zumindest bei den von ihnen untersuchten Bakterienstämme über das Messen der Polarisierbarkeit deren Fähigkeit zur Stromerzeuguzng ermitteln – dank Mikrofluidik einfach, effizient und zerstörungsfrei. Derzeit nutzen die Teammitglieder diese Methode, um neue Bakterienstämme zu testen, die kürzlich als potenzielle Stromerzeuger identifiziert wurden. „Wenn sich der Trend der Korrelation auch bei diesen neueren Stämme zeigt, können wir diese Technik nutzen, um eine weitere Anwendungen zu finden, etwa eine saubere Energieerzeugung, biologischen Sanierung oder die Herstellung von Biokraftstoffen“, so Wang weiter.

Originalveröffentlichung: „Microfluidic dielectrophoresis illuminates the relationship between microbial cell envelope polarizability and electrochemical activity“, Qianru Wang, A.-Andrew D. Jones III, Jeffrey A. Gralnick, Liwei Lin and Cullen R. Buie,
in: Science Advances, Vol. 5, no. 1, eaat5664
DOI: 10.1126/sciadv.aat5664

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