Kabelbacteriën voor geleiding in je smartphone
De frontlinie van de nieuwste toepassing van bacteriën ligt ónder water. Diep in de oceanen, onder woelige golven? “Inderdaad”, zegt Filip Meysman, hoogleraar biogeochemie aan de Universiteit Antwerpen. “Gewoon op de bodem van de Noordzee of in het sediment van de Rijn of de Schelde. En ook mensen met een vijver hebben een grote kans om elektrische bacteriën in hun achtertuin te hebben.”
Ruim tien jaar geleden ontdekten wetenschappers dat er stroom in de zeebodem liep. Wat de stroom in de modder geleidde, was een raadsel. Mineralen? Die bleken het niet te zijn. Maar overal waar die elektriciteit werd waargenomen, dook telkens een lange draadvormige bacterie op: de zogenoemde kabelbacterie.
Pastavormige bacteriën
Meysman vertelt dat kabelbacteriën er onder de microscoop uitzien als langgerekte rigatoni. “Van die pastapijpjes met ribbels aan de zijkant. Ze zijn minuscuul dun, maar kunnen wel vijf centimeter lang worden. Dat is gigantisch voor een bacterie.” De bacterie gebruikt haar lengte, samen met het unieke vermogen om stroom te geleiden, om zichzelf van energie te voorzien.
Het ene eind groeit diept in de waterbodem om sulfide – dat wordt geproduceerd door rottend organisch materiaal – op te kunnen nemen. Het andere eind blijft aan het oppervlak, om daar zuurstof te oogsten uit het bovenliggende water. Door die twee stoffen te laten reageren, voorziet de bacterie zichzelf van energie. Dit heet een redoxreactie. Zo’n reactie kun je in tweeën splitsen en elk apart uitvoeren om elektrische energie op te wekken. Het principe wordt toegepast in accu’s en batterijen. “Een geweldige truc, die de kabelbacteriën honderden miljoenen jaren geleden al doorhadden.”
Energierijke verbindingen
Daarvoor heeft de kabelbacterie een unieke eigenschap ontwikkeld: hij is geleidend. “Geen enkel ander organisme beschikt hierover”, vertelt Meysman. Hij vervolgt: “Je ziet hier hoe in de evolutie slimme oplossingen ontstaan die organismen competitiever maken. Bomen zijn daarvan ook een goed voorbeeld: met hun lengte verdringen ze andere planten om meer licht te krijgen. Kabelbacteriën doen hetzelfde. Door lang en geleidend te zijn, winnen ze de strijd om energierijke verbindingen in de zeebodem van andere bacteriën.”
Met de truc van geleiding bieden deze bacteriën mogelijk een oplossing voor een hele serie problemen van de mens. Meysman en zijn team ontdekten dat elke kabelbacterie een netwerk van dunne stroomkabels heeft. Deze stroomkabels zijn extreem geleidend, en tegelijk sterk, flexibel en biologisch afbreekbaar. “Kortom, een wondermateriaal dat een revolutie zou kunnen betekenen in de wereld van de elektronica.” In plaats van de zeldzame metalen en plastics gewonnen uit aardolie, zou je iPhone of computer in de toekomst CO2-neutrale en biologisch afbreekbare geleiders kunnen bevatten.
Geen referentiepunt
Daarvoor is nog wel een lange weg te gaan. Alleen al aantonen dat de kabelbacterie een netwerk van dunne stroomkabels bevat, vergde moeizaam en kostbaar onderzoek. Maar het lukte niet alleen om die piepkleine bacterie onder stroom te zetten, de geleiding was ook nog eens verbluffend hoog: bijna net zo geleidend als metaal. “Achteraf is alles makkelijk”, zegt Meysman. “Maar je moet je realiseren dat nergens in de biologie een vergelijkbaar proces te vinden is. Je hebt dus geen referentiepunt.”
Meysman valt nog steeds van de ene verbazing in de andere. “De kabelbacteriën blijven me verrassen. Als we een nieuw experiment uitvoeren, blijkt het resultaat steeds straffer dan vooraf gedacht. De afgelopen tien jaar stond ik geregeld op met het idee: dit kan niet, het kan niet waar zijn.” Inmiddels ebt dat gevoel een beetje weg. “We hebben nu al zo veel bewijs: biologisch afbreekbare materialen kunnen wel degelijk zeer efficiënt stroom geleiden.”
De volgende horde in het verkennen van de grenzen is het maken van een volledig biologisch afbreekbaar elektronisch circuit. “Dat is ambitieus, maar het ligt binnen de mogelijkheden. Kabelbacteriën laten ons zien dat het kan, want zij doen het al miljoenen jaren.”
Door Rosanne Kropman
Filip Meysman
Filip Meysman is hoogleraar biogeochemie aan de Universiteit Antwerpen. Hij leidt daar het centrum voor Microbial Systems Technology. Meysman coördineert daarnaast het PRiNGLE-project (Protein-based Generation Electronics) dat met 3,2 miljoen euro gesteund wordt door een van de innovatiefondsen van de Europese Unie.
“Een geweldige truc die kabelbacteriën honderden miljoenen jaren geleden al doorhadden”
Zij biologische materialen slechte geleiders?
Na een ontdekking op de zeebodem, bereikte het onderzoeksteam van Filip Meysman een heuse doorbraak.
“Een wondermateriaal dat een revolutie zou kunnen betekenen in de wereld van de elektronica”
“De volgende horde is het maken van een volledig biologisch afbreekbaar elektronisch circuit”
