Material produzierende Bakterien
Seit ihrer Entdeckung durch drei Nobelpreisträger der Chemie im vergangenen Jahr sind metallorganische Gerüste (MOFs) das angesagte Thema in der Werkstoffkunde. MOFs sind hochgradig geordnete Materialien, die wie Lego-Bausteine aufgebaut sind. Mit Metallionen als Knotenpunkten und organischen Molekülen als Verbindungselementen können diese Materialien eine sich endlos wiederholende Struktur bilden. „MOFs eröffnen die Möglichkeit für die Gestaltung neuer, maßgeschneiderter Materialien, die Kohlendioxid binden, chemische Reaktionen katalysieren und Strom leiten können“, sagt Filip Meysman, Professor und Biologe an der Universität Antwerpen(öffnet in neuem Fenster). Während diese wichtige neue Fähigkeit für den Menschen zweifellos ein Novum darstellt, hat sich herausgestellt, dass wir bei Weitem nicht die Ersten waren. Bakterien produzieren bereits seit 600 Millionen Jahren MOFs. „Die Evolution hat auf irgendeine Weise genau zu derselben Idee geführt, die die Nobelpreisträger für Chemie hatten“, fügt Meysman hinzu. Im Rahmen von Projekt PRINGLE(öffnet in neuem Fenster), das vom europäischen Innovationsrat(öffnet in neuem Fenster) finanziert wurde, leitet Meysman die Forschungsmaßnahmen, um ein besseres Verständnis über diese MOF-produzierenden Bakterien zu erlangen.
Kabel, elektrischer Draht und Bakterium
Als besondere Mikrobenart, die in den schlammigen Sedimenten von Flüssen, Seen und Ozeanen gedeiht, verfügen die MOF-produzierenden „Kabelbakterien“ über die einzigartige Fähigkeit, Strom zu erzeugen und zu leiten. „Vor etwa 15 Jahren wurde wissenschaftlich festgestellt, dass im Meeresboden elektrische Ströme fließen“, erklärt Meysman. „Es zeigte sich, dass diese Ströme im Inneren von zentimeterlangen Bakterien geleitet wurden.“ Laut Meysman fungieren Kabelbakterien als lebende Drähte, die Elektronen über Entfernungen im Zentimeterbereich transportieren. „Die Kabelbakterien verfügen im Wesentlichen über ein Stromleitungsnetz, das in ihre Zellhülle eingebettet ist, wobei dünne leitfähige Fasern parallel entlang der Außenseite der zentimeterlangen Filamente verlaufen.“ Die Wissenschaft hat zwar herausgefunden, dass diese einzigartige Fähigkeit zum Überleben der Bakterien in den von ihnen bewohnten sauerstoffarmen Sedimenten beiträgt, wie sie elektrische Ströme leiten, ist allerdings nach wie vor ein Rätsel.
Von Bakterien zu metallorganischen Gerüsten
Um diese Frage zu beantworten, setzte das PRINGLE-Projekt eine Reihe detaillierter mikroskopischer und spektroskopischer Verfahren ein. Eine der ersten Erkenntnisse war, dass die leitfähigen Fasern der Bakterien äußerlich stark den Ladekabeln für Smartphones ähnelten – nur 20.000 Mal kleiner sind. „Genau wie die geflochtenen Kupferdrähte in einem Stromkabel befindet sich im Zentrum jeder Faser ein Bündel miteinander verflochtener Nanobänder, das von einer schützenden Proteinschicht umgeben ist“, merkt Meysman an. Laut Meysman ist diese Nanoband-Architektur, die als miniaturisierte, aber dennoch sehr effiziente „Autobahn“ für den Elektronentransport fungiert, bisher noch nie beobachtet worden. „Eine noch größere Überraschung war, dass die Nanobänder selbst aus einem MOF-Material bestanden“, sagt er. „Bislang war nicht bekannt, dass die Biologie ein solches Material hervorbringen kann.“
Kabelbakterien mit hervorragender chemischer Kompetenz
Die Forschungsergebnisse des Projekts zeigen letztlich, dass Kabelbakterien über eine hervorragende chemische Kompetenz verfügen. „Das aus Kabelbakterien stammende Nanoband-MOF-Material gehört zu den leitfähigsten MOF-Materialien, die je hergestellt wurden“, bemerkt Meysman. Diese Entdeckung legt nicht nur den Grundstein für die biobasierte Synthese von MOFs, sondern deutet auch auf ein neuartiges Gestaltungsprinzip für nachhaltige elektronische Materialien hin. Was Letzteres betrifft, untersucht das PRINGLE-Forschungsteam nun, ob in der Chemie MOF-Materialien nach dem Vorbild der Natur entworfen werden können und wie solche Materialien in neuen Elektronik- oder Batterietechnologien Verwendung finden können. „Wer weiß, vielleicht findet man eines Tages ein solches Material in seinem Smartphone vor“, lautet das Fazit von Meysman. Die Forschungsergebnisse des Projekts wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“(öffnet in neuem Fenster) veröffentlicht.
