Kabelbacteriën: levende elektrische draden met een enorm geleidingsvermogen
Bacteriën die elektriciteit produceren, in de zeebodem leven en tot een centimeter lang worden, bevatten een geleidend netwerk van vezels dat werkt op zowat dezelfde manier als de koperdraden die we gebruiken om elektriciteit te transporteren. Dat hebben Belgische en Nederlandse onderzoekers ontdekt. De zeer goed geleidende vezels vormen een volledig nieuw raakvlak tussen biologie en elektronica. Dat opent mogelijkheden voor het op termijn ontwikkelen van nieuwe bio-afbreekbare materialen en technologie, zeggen de onderzoekers.
De ontdekking van elektriciteit wordt beschouwd als een van de belangrijkste wetenschappelijke verwezenlijkingen van de mensheid, en ze kende een doorbraak in 1879, toen Thomas Edison de eerste duurzame gloeilamp ontwikkelde. In onze moderne samenleving speelt elektriciteit een enorm belangrijke rol, en een uitgebreid netwerk van leidingen en koperdraad moet de beschikbaarheid van elektrische stroom verzekeren in onze kantoren, keukens en slaapkamers.
Een nieuwe studie van een team van onderzoekers van de Universiteit Antwerpen (UAntwerpen), de Technische Universiteit Delft (TU Delft) en de Universiteit Hasselt (UHasselt) heeft nu aangetoond dat bacteriën in de zeebodem al lang voor de mens dergelijke elektrische netwerken aanmaakten.
Microbiële elektriciteit
Kabelbacteriën zijn micro-organismen van een centimeter lang die bestaan uit duizenden cellen in een rij.
"Deze meercellige bacteriën werden pas een paar jaar geleden ontdekt, en we wisten al dat ze iets buitengewoons deden", zegt professor Filip Meysman van het departement Biologie van de UAntwerpen, de leider van het team. "Gedetailleerd onderzoek toonde aan dat er elektrische stroom moest lopen door de zeebodem, en alle gegevens suggereerden dat de kabelbacteriën deze stroom opwekten en geleidden. Een dergelijke op elektriciteit gebaseerde stofwisseling zou de kabelbacteriën een enorm voordeel opleveren, omdat ze in staat zouden zijn energie te oogsten uit diepere lagen in de zeebodem."
Hoewel het een verleidelijk idee was, was er geen direct bewijs dat kabelbacteriën inderdaad geleidend waren. De nieuwe studie van het multidisciplinaire team van biologen, scheikundigen en natuurkundigen heeft nu dit raadsel opgelost.
De onderzoekers bedachten een procedure om een enkele bacterie uit de zeebodem te halen en dit dunne filament - de bacterie is een draadje dat 50 keer dunner is dan een menselijk haar - vast te maken aan een speciaal ontworpen installatie met kleine elektroden.
"Het kostte ons veel moeite om de bacteriën aan te sluiten", zegt professor Herre van der Zant, een natuurkundige van de TU Delft. "Maar toen we er uiteindelijk in geslaagd waren, waren de resultaten verbluffend. We zagen dat er een sterke stroom door deze dunne kabelbacterie liep."
Bacteriële leidingen
Het team verfijnde zijn procedure om met de bacteriën om te gaan, en was op een bepaald ogenblik in staat om aan te tonen dat er stroom liep door een dunne bacterie die meer dan 1 centimeter lang was.
"Dit vergroot de lengteschaal van het biologisch transporteren van elektronen die we tot nu kenden, met verschillende ordes van grootte, en het impliceert dat kabelbacteriën een mechanisme hebben gevonden om ladingen efficiënt te transporteren over afstanden in de orde van centimeters", zegt professor Jean Manca van de afdelingen Fysica en Biologie van de UHasselt.
De waarneming riep echter onmiddellijk de volgende vraag op: wat zijn de geleidende structuren in de bacterie die dergelijke hoge stroomsterktes kunnen verdragen?
Op een of andere manier heeft de biologische evolutie een structuur uitgevonden met buitengewone elektrische eigenschappen
Geavanceerd microscopisch onderzoek bracht aan het licht dat de celwand van de kabelbacterie een parallel netwerk van vezels bevat die over de hele lengte van de bacterie lopen.
"We hebben een soort van chemische carwash-procedure uitgevonden die het celmateriaal laag na laag verwijdert, en uiteindelijk alleen de vezelstructuur achterlaat", zegt professor Meysman in de persmededeling.
"Toen we die in onze installatie met elektroden plaatsten, zagen we opnieuw hoge stroomsterktes, wat aantoonde dat het vezelnetwerk in de celwand in werkelijkheid de geleidende structuur is", bevestigt professor Karolien De Wael van de afdeling Scheikunde van de UAntwerpen. De Wael was verantwoordelijk voor de elektrochemische analyses in de studie.
Er volgde echter nog een verrassing: de elektrische metingen lieten zien dat de vezels een extreem hoge stroomsterkte per eenheid van oppervlakte van de dwarsdoorsnede konden aanhouden, een stroomsterkte die makkelijk de vergelijking kon doorstaan met de waarden die we momenteel vinden in de koperbedrading van onze huishoudtoestellen.
En nog opwindender is dat het geleidingsvermogen van de vezels ongewoon hoog is, met waarden boven 20 S cm-1. Ter vergelijking, dit geleidingsvermogen evenaart dat van de allernieuwste geleidende polymeermaterialen die gebruikt worden in flexibele zonnepanelen of opvouwbare telefoons.
"We waren totaal verrast toen deze hoge getallen voor het eerst verschenen op de schermen van onze meetinstrumenten", zegt Meysman. "Op een of andere manier heeft de biologische evolutie een structuur uitgevonden met buitengewone elektrische eigenschappen."
Herbekijk hieronder de reportage in "Het Journaal": (lees voort onder de video)
Bacteriële smartphones
De ontdekking van de zeer goed geleidende vezels in kabelbacteriën is opmerkelijk aangezien al de bekende biologische materialen - eiwitten, koolhydraten, vetten en nucleïnezuren - extreem slecht scoren op het vlak van geleiding van elektrische stroom.
De geleidende vezels bieden dan ook een enorme kans op nieuwe fuctionele materialen en technologie. Het vooruitzicht op materialen op biologische basis met uitzonderlijke elektrische eigenschappen zou de materiaalwetenschap en de elektronica ver voorbij hun huidige beperkingen kunnen stuwen.
"Het gebruik van biomaterialen in het ontwerpen van elektronica is een actief onderzoeksveld, om bijvoorbeeld te komen tot bio-afbreekbare elektronica. Dat zou het probleem van het elektronisch afval kunnen verminderen en groenere consumentenelektronica mogelijk maken. Of de materialen zouden toegepast kunnen worden in de gezondheidszorg, waar implanteerbare apparaten voor diagnostiek en therapie een bepaalde tijd zouden werken, en dan zouden verdwijnen door resorptie door het lichaam", zegt Meysman. "Misschien hebben we binnen enkele jaren medische implantaten of smartphones die uitgerust zijn met minuscule geleidende draden van bacteriële oorsprong."
De studie van het team onder leiding van professor Meysman is gepubliceerd in Nature Communications. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de Universiteit Antwerpen.
VIDEO: bekijk hierboven een korte uiteenzetting over de nieuwe ontdekking.