Mysterieuze vezels in lange meercellige bacteriën geleiden stroom even goed als geleidende polymeren in smartphones. Nederlandse en Vlaamse onder­zoekers zoeken naarstig hoe dit kan.

‘Er zijn nog echt nieuwe dingen te ontdekken, dat geef ik mijn doctoraalstudenten altijd mee. Houd je ogen goed open voor onverklaarbare resultaten’, vertelt Filip Meysman, hoogleraar mariene biogeochemie aan de Universiteit Antwerpen en de Technische Universiteit Delft. Hij verwijst specifiek naar de Deense ontdekking in 2012 van een nieuw fenomeen in sedimenten van de zeebodem, waarmee hij is doorgegaan. ‘De enige manier waarop ze destijds hun onderzoeksresultaten konden verklaren, was dat er elektriciteit door de zeebodem stroomt’, zegt Meysman. Later is ontdekt dat hierbij bacteriën betrokken waren die elektriciteit over een afstand van enkele centimeters konden geleiden. ‘Telkens als dit fenomeen zich voordeed, zagen we onder de microscoop die vreemde, lange, witte, dunne slierten.’

Die zogenoemde kabelbacterie kan wel 5 cm lang worden en is opgebouwd uit tienduizend afzonderlijke cellen. Om die cellen heen zit een gemeenschappelijk buitenmembraan. ‘Het is een soort lange kous die alle cellen omringt. In de gemeenschappelijke tussenruimte, het periplasma, liggen de stroomvezels die over de hele lengte van de bacteriestreng lopen. Soms wel zestig stroomvezels per bacteriestreng.’

Twee walletjes

Samen met collega-wetenschappers heeft Meysman voor het eerst proefondervindelijk aangetoond dat de stroomvezels verantwoordelijk zijn voor de geleiding van elektriciteit. Daarbij maten ze een uit­zonderlijk hoge geleidbaarheid tot wel 79 Siemens per centimeter. ‘Voor een biologisch materiaal is dit spectaculair. Je kunt het vergelijken met geleidende polymeren die tegenwoordig in oled-beeldschermen van smartphones of tv’s zitten. Die polymeren zijn in 1977 ontdekt en hebben een natuurlijk geleidbaarheid van 10 tot 6 Siemens per centimeter. Via sterke chemische finetuning is het uiteindelijk gelukt om de geleidbaarheid sterk op te krikken tot 100 Siemens per centimeter. Onze bacterievezels halen hetzelfde niveau van nature!’

De reden waarom kabelbacteriën zo lang zijn, is dat ze van twee walletjes moeten eten. Het ene uiteinde van de bacterie groeit diep de zeebodem in om elektronen van sulfide – hun energiebron – af te halen. Het andere uiteinde blijft in contact met de zuurstofrijke laag en geeft de elektronen af aan zuurstof. ‘De cellen hebben daarom de taken verdeeld en voeren elk slechts een redox-halfreactie uit. De stroomkabels in de buitenwand zijn cruciaal voor de samenwerking en het doorsturen van de elektronen van beneden naar boven’, legt Meys­man uit.

Toepassingen

De grote vraag is uit welk materiaal de stroomvezels bestaan. ‘Het probleem is dat we er te weinig van hebben. Voor bepaalde analyses hebben we minstens 1 mg nodig. Om die hoeveelheid uit de zeebodem te halen, heb ik een armada van honderd assistenten nodig die een jaar lang bacterieslierten uit de zeebodem vissen.’ Ook naar het mechanisme tasten ze nog in het duister. Samen met Delftse fysici probeert Meysman op basis van fysische principes het elektronentransport door de vezels te verklaren. Gebruiken de kabelbacteriën een vergelijkbaar mechanisme als synthetische polymeren, of iets volledig nieuws?

Hoewel er nog flink wat fundamenteel onderzoek nodig is, heeft Meysman al toepassingen in het vizier, zoals bio-afbreekbare elektronica. ‘Denk aan elektronische implantaten voor de geneeskunde die vanzelf verdwijnen als hun taak erop zit. Of aan bio-afbreekbare RFID-tags die nu op levensmiddelen zitten om de houdbaarheid aan te geven.’