Elektronische apparaten worden nog steeds gemaakt van levenloze materialen. Op een dag, echter, "microbiële cyborgs" kunnen worden gebruikt in brandstofcellen, biosensoren, of bioreactoren. Wetenschappers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hebben de noodzakelijke voorwaarde gecreëerd door een programmeerbaar, biohybride systeem bestaande uit een nanocomposiet en de Shewanella oneidensis-bacterie die elektronen produceert. Het materiaal dient als steiger voor de bacteriën en, tegelijkertijd, geleidt de microbieel geproduceerde stroom. De bevindingen worden gerapporteerd in ACS toegepaste materialen en interfaces .

De bacterie Shewanella oneidensis behoort tot de zogenaamde exo-elektrogene bacteriën. Deze bacteriën kunnen elektronen produceren in het stofwisselingsproces en deze naar de buitenkant van de cel transporteren. Echter, het gebruik van dit type elektriciteit is altijd beperkt geweest door de beperkte interactie van organismen en elektroden. In tegenstelling tot conventionele batterijen, het materiaal van deze "organische batterij" moet niet alleen elektronen naar een elektrode geleiden, maar ook om zoveel mogelijk bacteriën optimaal op deze elektrode aan te sluiten. Tot dusver, geleidende materialen waarin bacteriën kunnen worden ingebed, waren inefficiënt of het was onmogelijk om de elektrische stroom te regelen.

Het team van professor Christof M. Niemeyer is er nu in geslaagd een nanocomposiet te ontwikkelen dat de groei van exo-elektrogene bacteriën ondersteunt en, tegelijkertijd, geleidt stroom op een gecontroleerde manier. "We produceerden een poreuze hydrogel die bestaat uit koolstofnanobuisjes en silica nanodeeltjes verweven door DNA-strengen, " zegt Niemeyer. Dan, de groep voegde de bacterie Shewanella oneidensis en een vloeibare voedingsbodem toe aan de steiger. En deze combinatie van materialen en microben werkte.

"De teelt van Shewanella oneidensis in geleidende materialen toont aan dat exo-elektrogene bacteriën zich op de steiger nestelen, terwijl andere bacteriën, zoals Escherichia coli, op het oppervlak van de matrix blijven, " legt microbioloog prof.dr. Johannes Gescher uit. Daarnaast het team bewees dat de elektronenstroom toenam met een toenemend aantal bacteriële cellen die zich op de geleidende, synthetische matrix. Deze biohybride composiet bleef enkele dagen stabiel en vertoonde elektrochemische activiteit, wat bevestigt dat het composiet de door de bacteriën geproduceerde elektronen efficiënt naar een elektrode kan geleiden.

Een dergelijk systeem hoeft niet alleen geleidend te zijn, het moet ook in staat zijn om het proces te beheersen. Dit werd bereikt in het experiment:Om de stroom uit te schakelen, de onderzoekers voegden een enzym toe dat de DNA-strengen knipt, waardoor het composiet ontleedt.

"Zo ver we weten, zo'n complexe, functioneel biohybride materiaal is nu voor het eerst beschreven. Allemaal samen, onze resultaten suggereren dat potentiële toepassingen van dergelijke materialen zelfs verder kunnen gaan dan microbiële biosensoren, bioreactoren, en brandstofcelsystemen, ’ benadrukt Niemeyer.