Bakteriendrähte leiten Strom

Proteine des Bakteriums Geobacter sulfurreducens funktionieren als Nanodrähte und zeigen eine elektrische Leitfähigkeit, die der von Metallen ähnelt.

Geobacter
Geobacter

Amherst (USA) - Biomoleküle leiten meist keinen Strom, sie verhalten sich wie elektrische Isolatoren. Eine Ausnahme bilden Proteine aus dem Bakterium Geobacter sulfurreducens. Bereits 2005 beobachteten Forscher an der University of Massachusetts Amherst die Leitung von elektrischem Strom in den sogenannten Pili-Proteinen, fadenförmigen Anhängen des Bakteriums. Im Fachjournal Nature Nanotechnology berichten nun Forscher um den Entdecker von Geobacter, Derek R. Lovley, dass das Bakterium Elektronen mithilfe eines Mechanismus leitet, den man aus Metallen kennt. Ein solches Leitungsverhalten war in biologischen Systemen bisher unbekannt.

"Dass die Proteinfortsätze Elektronen auf diese Weise zu leiten vermögen, bedeutet einen Paradigmenwechsel in der Biologie und wird Auswirkungen auf unser Verständnis natürlicher Prozesse in Mikroben haben", sagt Derek R. Lovley, der Leiter der Forscherteams. Das Team untersuchte Biofilme aus Bakterien, die es in einer mikrobiellen Brennstoffzelle wachsen ließ. Die Zelle bestand aus einer zweigeteilten Goldanode und eine Kathode, die von der Anode durch eine Protonen-Austausch-Membran getrennt war. Auf der Anode befand sich ein Spalt, der als elektrisch isolierende Grenze zwischen den zwei Hälften diente. Seine Breite entsprach der Länge von etwa 50 Bakterien. Als Futter für die Bakterien diente Essigsäure.

Die Forscher legten nun eine Spannung zwischen Goldanode und Kathode. Daraufhin begann auf der Anode ein Biofilm aus Bakterien zu wachsen. Stetig nahm die Dicke des Films und damit auch die Stromstärke zwischen Anode und Kathode zu. Schließlich überwucherte der Biofilm den nichtleitenden Spalt auf der Anode. Damit war der Weg für die Charakterisierung der Leitungseigenschaften des Films frei.

Die Messungen der Forscher ergaben eine elektrische Leitfähigkeit von etwa 5 Millisiemens pro Zentimeter für einen 40 Mikrometer dicken Biofilm. Das kommt der Leitfähigkeit von organischen Metallen wie Polyanilin oder Polyetin nahe. Die Biofilme leiteten Strom über die Entfernung von mehr als einem Zentimeter, was der Länge mehrerer Tausend Mikroben entsprach. "Die Pili leiten Elektronen über sehr große Distanzen, im Grunde genommen so weit wie der Biofilm eben reicht", sagt Nikhil Malvankar, Physiker und Erstautor der Studie.

Die Wissenschaftler wollen die Elektronenleitung von Geobacter sulfurreduncens verstehen, um seine Eigenschaften in der Nanobioelektronik zu verwenden: in günstigen, ungiftigen Nanomaterialien für Biosensoren oder für die Kopplung von Festkörpern und biologischen Molekülen.