Le­ben­de Cyano­bak­te­rien-Elek­tro­de pro­du­ziert Strom

Die Arbeits­gruppe Elektro­analytik und Sensorik der Ruhr-Univer­sität testet neue Elektroden­technik zunächst in kleinem Maßstab. (Bild: RUB, Kramer)

Auf der Suche nach nachhaltigen Wegen für die Energie­produktion nutzen Forscher immer wieder Mikro­orga­nismen oder aus ihnen extrahierte Bio­moleküle, etwa bestimmte Foto­synthese-Proteine. „Isolierte Moleküle sind in der Regel aber nicht auf lange Sicht stabil“, erklärt der Bochumer Forscher Felipe Conzuelo. „Ein Vorteil von lebenden Zellen ist, dass sie eine Reparatur­maschi­nerie besitzen, um Zell­schäden zu beseitigen.“ Das System regene­riert sich also selbst. Eine Heraus­forderung bei der Arbeit mit lebenden Orga­nismen ist jedoch, dass es schwieriger ist, die Elektronen – also letzt­endlich den Strom – aus der Zelle herauszu­bekommen und für eine tech­nische Anwendung nutzbar zu machen. Genau das gelang dem Team nun.

Cyanobakterien besitzen zwei Systeme für die Energie­produktion bei Licht und bei Dunkel­heit. Bei Licht findet Foto­synthese statt, wobei Wasser­stoff und Kohlen­dioxid verbraucht werden, um Zucker­moleküle und Sauer­stoff zu erzeugen. Der Prozess setzt eine Elektronen­transport­kette in Gang, die die Produktion von Energie­speicher­molekülen wie ATP antreibt. Bei Dunkel­heit werden in der Zell­atmung die gespei­cherten Zucker­moleküle unter Verbrauch von Sauer­stoff wieder zerlegt, um Energie zu gewinnen. Auch hier spielt der Elektronen­transport eine entschei­dende Rolle.

Felipe Conzuelo, Fang­yuan Zhao und Wolf­gang Schuh­mann (von links) arbeiten am Zentrum für Elektro­chemie zusammen. (Bild: RUB, Kramer)

Mit ihrer Cyanobakterien-beschich­teten Graphit-Elek­trode konnten die Forscher Elek­tronen aus beiden Prozessen, der Foto­synthese und Zell­atmung, ableiten und so einen Strom­fluss außerhalb der Zelle gene­rieren – und zwar effi­zienter als in früheren Systemen. Sie fanden heraus, dass ein kleines lösli­ches Molekül aus den Zellen austritt und die Elek­tronen zur Elekt­roden­ober­fläche trans­portiert. Das gelang jedoch nur in ausrei­chendem Maße, wenn die Gruppe die Zellen sanft vorbe­handelte, bevor sie auf die Elektrode aufge­tragen wurden. Zu diesem Zweck wurden die Zellen etwas gepresst, sodass die Zell­wand nicht mehr voll­ständig intakt war.

„Es ist nach unserem Wissens­stand das erste Mal, dass ein solches Vermittler­molekül gefunden wurde, welches aus den lebenden Zellen selbst stammt, deren Zell­wand durch­wandern kann und so Elektronen nach außen transpor­tieren kann“, sagt Fang­yuan Zhao vom Zentrum für Elektro­chemie. Um welche Substanz es sich dabei genau handelt, ist noch unbekannt. Die Analysen ergaben jedoch, dass es ein relativ kleines, wasser­lösliches Molekül sein muss, das Zell­wände und Membranen passieren kann.

„Wir glauben, dass das Cyano­bakterien-System das Potenzial hat, eine grüne Energie­quelle zu werden“, resümiert Wolf­gang Schuh­mann, Leiter des Bochumer Lehr­stuhls für Analy­tische Chemie. „Mit einigen Modifi­kationen sollte es in der Lage sein, licht­getrieben Strom über eine lange Zeit zu produ­zieren – weil es alles mitbringt, um sich immer wieder selbst zu regene­rieren.“ (Quelle: RUB)

Referenz: G. Saper et al.: Live cyano­bacteria produce photo­current and hydrogen using both the respi­ratory and photo­synthetic systems, Nat. Comm., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-04613-x

Link: Bioelectrochemistry, Local Electro­chemistry on Living Cells, AG Elektro­analytik und Sensorik (W. Schuhmann), Analy­tische Chemie, Zentrum für Elektro­chemie, Ruhr-Univer­sität Bochum

Speak Your Mind

*