Ze zijn in staat om stroom over lange afstanden door sterk geleidende kabels te sturen, net zoals wij onze tv en koelkast van stroom voorzien.

De ontdekking van elektriciteit wordt alom beschouwd als een van de grootste wetenschappelijke prestaties van de mensheid. In 1879 vond er een grote doorbraak plaats, toen Thomas Edison de eerste duurzame elektrische gloeilamp fabriceerde. Op dit moment kunnen we ons een wereld zonder elektriciteit bijna niet meer voorstellen. Een uitgebreid netwerk van hoogspanningsleidingen en koperen bedradingen lopen van kantoren tot aan onze keuken en huiskamer en voorzien ons overal van elektrische stroom. Onderzoekers hebben nu in een nieuwe studie zeebodem microben ontdekt die eigenlijk soortgelijke elektrische netwerken aanleggen.

Kabelbacterie. Afbeelding: Filip J. R. Meysman

Kabelbacteriën
Het gaat over kabelbacteriën; kleine micro-organismen die bestaan uit duizenden cellen van een centimeter lang. “Deze meercellige bacteriën werden pas enkele jaren geleden ontdekt,” vertelt onderzoeksleider Filip Meysman. “We wisten al dat ze iets bijzonders deden. Onderzoek toont aan dat er elektrische stromen door de zeebodem lopen, en alle gegevens wijzen erop dat kabelbacteriën deze stromen opwekken en geleiden. Hun ‘elektrisch metabolisme’ geeft hun een groot voordeel, aangezien ze in staat zijn om energie te halen uit diepere lagen van de zeebodem.”


Stroom
Hoewel onderzoekers dus wel een vermoeden hadden, was er nog nooit rechtstreeks bewijs geleverd dat kabelbacteriën daadwerkelijk geleidend zijn. Tot nu toe. In de nieuwe studie ontwikkelden de onderzoekers een methode waarbij er één enkele bacterie – die zo’n vijftig keer dunner is dan een mensenhaar – werd bevestigd aan een apparaat met minuscule elektroden. “De resultaten waren verbluffend,” zegt onderzoeker Herre van der Zant. “We stelden vast dat er een sterke stroom door deze dunne kabelbacterie liep.”

Afstand
Bovendien blijkt dat deze kleine bacteriën stroom over lange afstanden kunnen geleiden. “De afstand waarover biologisch elektronentransport plaatsvindt blijkt veel groter te zijn dan aangenomen werd,” zegt onderzoeker Jean Manca. “Tot nu toe was het record ongeveer 1 micrometer. Kabelbacteriën hebben een mechanisme gevonden om ladingen efficiënt te transporteren over afstanden van centimeters.” Dit betekent dat deze kabelbacteriën een structuur moeten bevatten die deze stroom geleidt. Maar wat zijn dan deze geleidende structuren die zulke sterke elektrische stromen mogelijk maken?


Structuren
Met behulp van geavanceerde microscopie kwamen de onderzoekers erachter dat er over de hele lengte van de bacterie, in de celwand, een parallel netwerk van vezels loopt. “We hebben een soort chemische carwash uitgevonden waarmee stapsgewijs celmateriaal wordt verwijderd, tot uiteindelijk alleen nog de vezelstructuur achterblijft,” legt Meysman uit. Nadat deze vezelstructuur op het apparaat met elektroden werd geplaatst, zag het team opnieuw hoge stroomsterktes. Dit gaf aan dat het vezelnetwerk in de celwand wel degelijk de geleidende structuur moest zijn.

Hoog
Maar dat was niet het enige dat ze ontdekten. De elektrische metingen toonden aan dat de vezels een extreem hoge elektrische stroom aankunnen, die goed te vergelijken zijn met de stroomdichtheid in de koperdraden van onze huishoudelijke apparaten. Nog spannender is dat de geleidbaarheid van de vezels ongewoon hoog is, met waarden van meer dan 20 S cm-1. Hiermee doen ze niet onder voor de laatste nieuwe geleidende polymeren van bijvoorbeeld flexibele zonnepanelen. “We stonden er echt van te kijken toen deze hoge waarden voor het eerst op het scherm van onze meetapparatuur verschenen,” zegt Meysman. “Biologische evolutie heeft op de een of andere manier een structuur met buitengewone elektrische eigenschappen doen ontstaan.”

De ontdekking van de sterk geleidende vezels in de kabelbacteriën is erg opmerkelijk. Zeker als je je bedenkt dat alle bekende biologische materialen (zoals eiwitten, koolhydraten, lipiden of nucleïnezuren) juist zeer slecht geleiden. De nieuw ontdekte vezels openen dan ook de deur naar een tal van mogelijkheden voor nieuwe materialen en technologieën. Het zou bijvoorbeeld kunnen dat deze geleidende structuren afkomstig van zeebodem microben misschien ooit gebruikt kunnen worden in je smartphone. “Het gebruik van biomaterialen in de elektronica is een actief onderzoeksgebied, bijvoorbeeld om biologisch afbreekbare componenten te ontwikkelen en zo het elektronische afvalprobleem (het zogenaamde “e-waste”) aan te pakken,” zegt Meysman. “Misschien hebben we binnen enkele jaren wel medische implantaten of smartphones die uitgerust zijn met minuscule geleidende draden van onze kabelbacteriën.”