De natuurlijke wereld bezit zijn eigen intrinsieke elektriciteitsnet dat bestaat uit een wereldwijd web van kleine door bacteriën gegenereerde nanodraden in de bodem en oceanen die "ademen" door overtollige elektronen uit te ademen.

In een nieuwe studie ontdekten onderzoekers van Yale University dat licht een verrassende bondgenoot is bij het bevorderen van deze elektronische activiteit in biofilmbacteriën. Het blootstellen van door bacteriën geproduceerde nanodraden aan licht, zo ontdekten ze, leverde een tot 100-voudige toename van de elektrische geleidbaarheid op.

De bevindingen werden op 7 september gepubliceerd in het tijdschriftNature Communications .

"De dramatische stroomstijgingen in nanodraden die aan licht worden blootgesteld, laten een stabiele en robuuste fotostroom zien die uren aanhoudt", zegt senior auteur Nikhil Malvankar, universitair hoofddocent Molecular Biophysics and Biochemistry (MBB) aan het Yale's Microbial Sciences Institute op de West Campus van Yale.

De resultaten kunnen nieuwe inzichten opleveren als wetenschappers manieren zoeken om deze verborgen elektrische stroom voor verschillende doeleinden te benutten, van het elimineren van biologisch gevaarlijk afval en het creëren van nieuwe hernieuwbare brandstofbronnen.

Bijna alle levende wezens ademen zuurstof om overtollige elektronen kwijt te raken bij het omzetten van voedingsstoffen in energie. Zonder toegang tot zuurstof hebben bodembacteriën die diep onder de oceanen leven of gedurende miljarden jaren ondergronds zijn begraven, een manier ontwikkeld om te ademen door 'mineralen in te ademen', zoals snorkelen, door kleine eiwitfilamenten die nanodraden worden genoemd.

Toen bacteriën aan licht werden blootgesteld, verraste de toename van elektrische stroom de onderzoekers, omdat de meeste geteste bacteriën diep in de grond voorkomen, ver buiten het bereik van licht. Eerdere studies hadden aangetoond dat bij blootstelling aan licht nanodraad-producerende bacteriën sneller groeiden.

"Niemand wist hoe dit gebeurt," zei Malvankar.

In de nieuwe studie concludeerde een Yale-team onder leiding van postdoctoraal onderzoeker Jens Neu en afgestudeerde student Catharine Shipps dat een metaalbevattend eiwit dat bekend staat als cytochroom OmcS - dat bacteriële nanodraden vormt - fungeert als een natuurlijke fotogeleider:de nanodraden vergemakkelijken de elektronenoverdracht aanzienlijk wanneer biofilms worden blootgesteld aan licht.

"Het is een heel andere vorm van fotosynthese," zei Malvankar. "Hier versnelt licht de ademhaling door bacteriën vanwege de snelle elektronenoverdracht tussen nanodraden."

Het laboratorium van Malvankar onderzoekt hoe dit inzicht in bacteriële elektrische geleidbaarheid kan worden gebruikt om de groei in opto-elektronica te stimuleren - een deelgebied van fotonica dat apparaten en systemen bestudeert die licht vinden en regelen - en hoe methaan te vangen, een broeikasgas waarvan bekend is dat het een belangrijke bijdrage levert aan de wereldwijde klimaatverandering.

Andere auteurs van het artikel zijn Matthew Guberman-Pfeffer, Cong Shen, Vishok Srikanth, Sibel Ebru Yalcin van het Malvankar Lab in Yale; Jacob Spies, professor Gary Brudvig en professor Victor Batista van het Yale Department of Chemistry; en Nathan Kirchhofer van Oxford Instruments. + Verder verkennen

Verborgen bacteriële haren voeden het 'elektriciteitsnet' van de natuur