09.09.2022 - Yale University

Licht beschleunigt die Leitfähigkeit im "elektrischen Netz" der Natur

"Es handelt sich um eine völlig andere Form der Photosynthese"

Die natürliche Welt verfügt über ein eigenes elektrisches Netz, das aus einem globalen Netz winziger, von Bakterien erzeugter Nanodrähte im Boden und in den Ozeanen besteht, die "atmen", indem sie überschüssige Elektronen ausatmen.

In einer neuen Studie entdeckten Forscher der Universität Yale, dass Licht ein überraschender Verbündeter bei der Förderung dieser elektronischen Aktivität in Biofilmbakterien ist. Sie fanden heraus, dass die elektrische Leitfähigkeit um das bis zu 100-fache zunimmt, wenn die von den Bakterien produzierten Nanodrähte dem Licht ausgesetzt werden.

Die Ergebnisse wurden am 7. September in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht,

"Die dramatischen Stromanstiege in Nanodrähten, die Licht ausgesetzt werden, zeigen einen stabilen und robusten Fotostrom, der über Stunden hinweg anhält", sagte der Hauptautor Nikhil Malvankar, außerordentlicher Professor für Molekulare Biophysik und Biochemie (MBB) am Yale Microbial Sciences Institute auf dem Westcampus von Yale.

Die Ergebnisse könnten neue Erkenntnisse liefern, wenn Wissenschaftler nach Wegen suchen, diesen verborgenen elektrischen Strom für eine Vielzahl von Zwecken zu nutzen, von der Beseitigung biologisch gefährlicher Abfälle bis zur Schaffung neuer erneuerbarer Kraftstoffquellen.

Fast alle Lebewesen atmen Sauerstoff ein, um überschüssige Elektronen bei der Umwandlung von Nährstoffen in Energie loszuwerden. Ohne Zugang zu Sauerstoff haben jedoch Bodenbakterien, die tief unter den Ozeanen oder unter der Erde leben, im Laufe von Milliarden von Jahren eine Möglichkeit entwickelt, durch winzige Proteinfäden, die Nanodrähte genannt werden, zu atmen, indem sie wie beim Schnorcheln Mineralien "atmen".

Als die Bakterien mit Licht bestrahlt wurden, überraschte der Anstieg des elektrischen Stroms die Forscher, da die meisten der getesteten Bakterien tief im Boden leben, weit entfernt von der Reichweite des Lichts. Frühere Studien hatten gezeigt, dass die Nanodraht produzierenden Bakterien bei Lichteinfall schneller wachsen.

"Niemand wusste, wie dies geschieht", sagte Malvankar.

In der neuen Studie kam ein Yale-Team unter der Leitung des Postdoktoranden Jens Neu und der Doktorandin Catharine Shipps zu dem Schluss, dass ein metallhaltiges Protein namens Cytochrom OmcS - aus dem die bakteriellen Nanodrähte bestehen - als natürlicher Photoleiter fungiert: Die Nanodrähte erleichtern den Elektronentransfer erheblich, wenn die Biofilme dem Licht ausgesetzt werden.

"Es handelt sich um eine völlig andere Form der Photosynthese", so Malvankar. "Hier beschleunigt das Licht die Atmung der Bakterien durch den schnellen Elektronentransfer zwischen den Nanodrähten."

Malvankars Labor untersucht, wie diese Erkenntnisse über die elektrische Leitfähigkeit von Bakterien genutzt werden könnten, um das Wachstum in der Optoelektronik anzukurbeln - einem Teilbereich der Photonik, der sich mit Geräten und Systemen befasst, die Licht finden und steuern - und um Methan einzufangen, ein Treibhausgas, das bekanntermaßen erheblich zum globalen Klimawandel beiträgt.

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