Die natürliche Welt besitzt ihr eigenes intrinsisches elektrisches Gitter, das aus einem globalen Netz winziger, von Bakterien erzeugter Nanodrähte im Boden und in den Ozeanen besteht, die durch das Ausatmen überschüssiger Elektronen „atmen“.
In einer neuen Studie entdeckten Forscher der Yale University, dass Licht ein überraschender Verbündeter bei der Förderung dieser elektronischen Aktivität in Biofilmbakterien ist. Sie fanden heraus, dass die Bestrahlung von bakterienproduzierten Nanodrähten mit Licht zu einer bis zu 100-fachen Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit führte.
Die Ergebnisse wurden am 7. September in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
„Die dramatischen Stromanstiege in Nanodrähten, die Licht ausgesetzt sind, zeigen einen stabilen und robusten Photostrom, der stundenlang anhält“, sagte Seniorautor Nikhil Malvankar, außerordentlicher Professor für Molekulare Biophysik und Biochemie (MBB) am Microbial Sciences Institute in Yale auf dem West Campus von Yale.
Die Ergebnisse könnten neue Erkenntnisse liefern, wenn Wissenschaftler nach Möglichkeiten suchen, diesen verborgenen elektrischen Strom für eine Vielzahl von Zwecken zu nutzen, von der Beseitigung biologisch gefährlicher Abfälle bis hin zur Schaffung neuer erneuerbarer Brennstoffquellen.
Fast alle Lebewesen atmen Sauerstoff, um überschüssige Elektronen loszuwerden, wenn sie Nährstoffe in Energie umwandeln. Ohne Zugang zu Sauerstoff haben jedoch Bodenbakterien, die über Milliarden von Jahren tief unter Ozeanen leben oder unterirdisch vergraben sind, eine Möglichkeit entwickelt, durch „Atmen von Mineralien“ durch winzige Proteinfilamente, sogenannte Nanodrähte, wie beim Schnorcheln zu atmen.
Wenn Bakterien Licht ausgesetzt wurden, überraschte der Anstieg des elektrischen Stroms die Forscher, da die meisten der getesteten Bakterien tief im Boden leben, weit weg von der Reichweite des Lichts. Frühere Studien hatten gezeigt, dass Bakterien, die Nanodrähte produzieren, schneller wuchsen, wenn sie Licht ausgesetzt wurden.
„Niemand wusste, wie das passiert“, sagte Malvankar.
In der neuen Studie kam ein Yale-Team unter der Leitung des Postdoktoranden Jens Neu und der Doktorandin Catharine Shipps zu dem Schluss, dass ein metallhaltiges Protein namens Cytochrom OmcS – aus dem bakterielle Nanodrähte bestehen – als natürlicher Fotoleiter fungiert: Die Nanodrähte erleichtern den Elektronentransfer erheblich Biofilme werden Licht ausgesetzt.
„Es ist eine völlig andere Form der Photosynthese“, sagte Malvankar. „Hier beschleunigt Licht die Atmung von Bakterien aufgrund des schnellen Elektronentransfers zwischen Nanodrähten.“
Malvankars Labor untersucht, wie diese Erkenntnisse über die elektrische Leitfähigkeit von Bakterien genutzt werden könnten, um das Wachstum in der Optoelektronik anzukurbeln – einem Teilgebiet der Photonik, das Geräte und Systeme untersucht, die Licht finden und steuern – und Methan einzufangen, ein Treibhausgas, das bekanntermaßen einen wesentlichen Beitrag zur globalen Klimawandel.
Weitere Autoren des Artikels sind Matthew Guberman-Pfeffer, Cong Shen, Vishok Srikanth, Sibel Ebru Yalcin vom Malvankar Lab in Yale; Jacob Spies, Professor Gary Brudvig und Professor Victor Batista vom Yale Department of Chemistry; und Nathan Kirchhofer von Oxford Instruments.