Biologische batterijen

Sommige bodem-bacteriën geven stroom af aan hun omgeving. Het optimaliseren van dit proces is het doel van Smart B.O.B. (© TU Berlin / PR / Dominic Simon)

Evolutionair biologisch gezien zijn ze heel oud, maar hun potentieel wordt nu pas geleidelijk ontdekt: zogenaamde elektromicroben staan in de huidige duurzaamheidsdebatten onder bijzondere observatie van veel wetenschappers wereldwijd. Ze kunnen elektronen – dus uiteindelijk stroom – produceren en doorgeven. En dat grotendeels zonder energieverlies. Als je stroom op moleculair niveau bekijkt, is dat eigenlijk niets anders dan een gerichte stroom van elektronen, die alle levende organismen binnen hun cellen gebruiken.  In het kader van de jaarlijkse BIOMOD-wedstrijd (Biomolecular Design) voor studenten van over de hele wereld in San Francisco werkt een interdisciplinaire team aan de TU Berlin precies aan dit onderwerp.  “Ons doel is een biologische batterij,” zegt Franziska Graeger, masterstudent in de biologische chemie aan de TU Berlin en lid van het team Smart B.O.B. (Smart Biologically Optimized Battery).

In een cel komt bij sommige sprongen van elektronen van het ene naar het andere molecuul energie vrij. Al enkele jaren kennen wetenschappers bacteriën die in staat zijn om op deze manier elektronen af te geven aan hun omgeving. Via bepaalde membranen geleiden sommige van deze bacteriën de elektronen bijvoorbeeld naar positief geladen metaalionen in hun omgeving.

De wetenschappers van Smart B.O.B. gebruiken verschillende bacteriesoorten en combineren hun vaardigheden. “De bacterie Shewanella bezit een speciaal proteïneconstruct in zijn membraan om elektronen gericht af te geven aan ijzer of mangaan in de omgeving. Onze eerste stap is om dit eiwit genetisch in cyanobacteriën te brengen.” Cyanobacteriën vormen een soort interface tussen planten en bacteriën. Ze zijn autotroof, kunnen dus uit het kooldioxide uit de atmosfeer met behulp van zonlicht de energietrager glucose en zuurstof produceren. “Als het ons lukt om het proteïnecomplex van Shewanella in de cyanobacteriën te brengen, zouden deze eiwitten gericht de elektronen uit de fotosynthese kunnen overnemen en extern aan een elektrode afgeven. Zo zou een stroom kunnen worden opgewekt,” legt de biochemicus de plannen van de groep uit.

Al is het nu al mogelijk om in beperkte mate vrije elektronen van verschillende bodembacteriën op te vangen. Dat demonstreren de wetenschappers indrukwekkend met een klein lampje op een pot met aarde. Twee speciale elektroden nemen de elektronen van de bodembacteriën in de aarde op en geleiden ze naar het lampje. “Daarbij wordt natuurlijk slechts een kleine stroom opgevangen,” zegt Franziska Graeger. “Zo kunnen we slechts een klein lampje laten branden. Ons doel is om zoveel mogelijk proteïnecomplexen van Shewanella in de cyanobacteriën te klonen, zodat er veel meer stroom vloeit. Deze speciale bacteriën zouden dan met behulp van een conventionele printer direct op de elektroden kunnen worden aangebracht, zodat er een directe uitwisseling van elektronen ontstaat en de opbrengst wordt geoptimaliseerd.”

Sinds 2015 neemt een interdisciplinaire team van verschillende Berlijnse universiteiten deel aan de internationale BIOMOD-wedstrijd. Het project wordt georganiseerd door het vakgebied Biokatalyse van Prof. Nediljko Budisa en het excellencenetwerk UniSysCat aan de TU Berlin, ondersteund door de prijs voor uitstekend onderwijs van de Vereniging van Vrienden van de TU Berlin. “Interdisciplinariteit is voor het project uiterst belangrijk,” zegt Franziska Graeger. “Want we moeten niet alleen in het lab staan en succesvol biochemisch werken, maar alles zelf organiseren: een goed functionerend laboratorium, een goede website, een aansprekende presentatie op de Jamboree in oktober in San Francisco en niet in de laatste plaats de volledige financiering van het project en onze reis naar de wedstrijd. Daarom zijn we ook altijd op zoek naar nieuwe supporters.”