Mikrobielle Cyborgs für Brennstoffzellen

Bakterien könnten eines Tages als „mikrobielle Cyborgs“ in Brennstoffzellen, Biosensoren oder Bioreaktoren zur Stromerzeugung eingesetzt werden. ForscherInnen am KIT haben zu diesem Zweck ein programmierbares, biohybrides System entwickelt, das aus einem Nanokomposit-Material und dem Elektronen produzierenden Bakterium Shewanella oneidensis besteht. Das Material dient als Stützgerüst für die Bakterien und leitet zugleich den mikrobiell erzeugten Strom. Über seine Ergebnisse berichtet das Forschungsteam in der Zeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces (DOI 10.1021/acsami.9b22116).

Das Bakterium gehört zu den sogenannten exoelektrogenen Bakterien, die im Stoffwechselprozess Elektronen erzeugen und zur Außenseite der Zelle transportieren. Der Versuch, diese Elektrizität nutzbar zu machen, wurde bisher 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.

Dem Team um Professor Christof M. Niemeyer gelang es nun, ein Nanokomposit-Material aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Kieselsäure-Nanopartikeln zu entwickeln, welches das Wachstum von exoelektrogenen Bakterien unterstützt und zugleich den Strom kontrolliert leitet. Dem porösen Gerüst fügte die Arbeitsgruppe das Bakterium Shewanella oneidensis sowie ein flüssiges Nährmedium zu. Die Kombination aus verschiedenen Materialien und Mikroben funktionierte. Das Forschungsteam zeigte, dass der Elektronenfluss zunahm, je mehr Bakterienzellen die leitfähige, synthetische Matrix besiedelten.

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.

„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“, sagt Niemeyer.