Maak je elektronica proper … met modder

Het is een grillige februariochtend aan de Nederlandse kust. De wind gaat door merg en been en het water is nog winters koud. Aan de horizon verschijnen wij: een groep fysici in waadpakken, gewapend met emmers en schoppen. We lopen in strakke tred de zee tegemoet. Het is maar eventjes eb, dus we moeten snel zijn. Waar we naar op zoek zijn? Verse zwavelrijke modder. Want daarin huist de mysterieuze kabelbacterie.

Leven op elektriciteit

Waarom ik daar stond te rillen in de kou voor een minuscuul wezen mag niet verbazen. De Deense onderzoekers die de kabelbacterie (Desulfobulbaceae) in 2012 ontdekten voorspelden dat ze elektrische stroom kan geleiden over ongeziene afstanden en ons hele idee van elektriciteit in de natuur zou kunnen herschrijven. Gefundenes Fressen voor een fysicus dus.

Als het u vreemd in de oren klinkt dat bacteriën stroom geleiden, eerst nog even dit: de natuur (en bij uitstek ons lichaam) zit vol elektriciteit. Een cel kan slechts leven door energie te krijgen, en die haalt ze uit een chemische reactie tussen eten en zuurstof, waarbij kleine elektrische ladingen uitgewisseld worden. In elk van onze cellen reizen dus constant elektrische signalen over zeer kleine afstanden.

Voor kabelbacteriën ligt dat lastiger: zij leven van zwavel en dat is enkel centimeters diep in de modder te vinden, terwijl zuurstof enkel bovenaan zit. Daarom bestaat de kabelbacterie niet uit één cel, zoals de meeste bacteriën, maar vormt het een lange ketting van zo’n 10.000 cellen achter elkaar. De bacteriën strekken zich dan verticaal in de modder uit om aan beide voedingsstoffen te kunnen geraken. De elektrische ladingen die worden uitgewisseld tussen zwavel en zuurstof hebben nu een hele weg over de bacterie af te leggen. De ontdekkers van de kabelbacterie zagen maar één mogelijkheid: ze geleidt elektrische stroom om in leven te blijven.

Kabelbacteriën (de dunne verticale draadjes hierboven) groeien van boven naar beneden in de modder. Ze zenden elektrische signalen over hun lichaam om zuurstof en zwavel te laten reageren en zo aan energie te komen.

De vanzelfsprekende vraag wierp zich op: kunnen deze bacteriën echt stroom geleiden zoals een stroomkabel? Dat werd meteen de hamvraag voor mijn doctoraat. Na onze expeditie in de Noordzee werden in het labo de minuscule bacteriën zorgvuldig uit de modder gevist. Wanneer we de bacterie tussen twee elektrodes plaatsten, bleek ze zelfs in een dode toestand inderdaad elektriciteit te geleiden. Daarmee toonden we niet alleen dat kabelbacteriën elektrische signalen kunnen doorgeven om te overleven, maar daar zelf een geleidend biomateriaal voor aanmaken.

Een trein tot in Parijs

Biologisch gesproken was dit geweldig nieuws: waar we elektronentransport zoals dat in de stroomdraden van ons huis of in onze smartphones al jarenlang kennen, was dat in de natuur enkel gemeten over minuscule afstanden van een duizendste van een millimeter. Nu werd een organisme ontdekt dat elektronenstroom kan geleiden over één centimeter, een gigantische afstand op biologische schaal. Omgerekend naar mensenschaal wordt een kabelbacterie dan een trein met 10.000 wagonnen die zich uitstrekt van Brussel tot Parijs.

Hoe is de kabelbacterie dan in staat stroom over zo’n afstand te geleiden? Uit experimenten met een atoomkrachtmicroscoop bleek dat de stroom niet door de bacterie zelf loopt, maar door een bundel van tientallen vezeltjes met een diameter van 50 nanometer, of een duizendste van de dikte van een haar, dat zich net onder het celmembraan van de bacterie bevindt. Kabelbacteriën bezitten dus een jasje waaronder een heel netwerk aan elektrische kabeltjes schuilgaat. En dat is een slim bedacht elektrisch circuit: breekt er zo één kabeltje, dan kan de stroom blijven vloeien door de kabels errond. Het lijkt sterk op de zekeringen die wij inbouwen in onze elektronica om ze ‘fail-safe’ te maken.

De elektrische stroom loopt door een heel netwerk van elektrische vezeltjes. Breekt er één, dan kan de stroom ongestoord verder blijven vloeien.

De bacterie-phone?

Die ontdekking zette voor mij een interessante vraag centraal: zouden wij die bacteriën ooit kunnen gebruiken als stroomgeleiders in onze elektronica? Het zou wel mooi zijn, want jaarlijks gooien we globaal zo’n 40 miljoen ton aan elektronisch afval weg dat niet gerecycleerd wordt en het milieu vervuilt met giftige metalen. De geleidende vezels van de kabelbacterie zijn opgebouwd uit eiwitten die perfect composteerbaar zijn. De precieze samenstelling ervan wordt nog onderzocht.

Ook zonder de chemische structuur van de vezels te kennen, kunnen we met elektrische metingen onderzoeken of kabelbacteriën toepasbaar zijn in de bioelektronica. Zo vonden we dat de dunne vezeltjes zeer hoge stromen aankunnen, zelfs meer dan er op dit moment door de stroomkabels van onze huizen lopen. Nog interessanter dan hun eigenschap om stroom te geleiden, is het om ermee te kunnen rekenen. Het basisblokje waaruit elke computer is opgebouwd en zijn rekenkracht aan verleent, is de transistor, zeg maar een elektrische mini-schakelaar. Naast een uitstekende geleiding vonden we dat de microben transistoreigenschappen hebben. We zijn nog niet zover om een computer te maken van kabelbacteriën, maar we tonen hiermee duidelijk aan dat het mogelijk is om verschillende elektronische schakelingen na te bouwen met puur biologische materialen.

Terug naar de hamvraag: kunnen we kabelbacteriën echt gebruiken als elektrische kabeltjes? Dit onderzoek legt alvast een interessant begin aan een lange zoektocht naar het duurzaam maken van onze elektrische apparaten. De kans dat we in de toekomst kabelbacteriën vissen om smartphones te maken is klein, maar de verwachting is dat we veel zullen leren over de chemische structuur van de stroomvezels en ze op termijn zelf kunnen produceren in het lab. Ook al hebben we anno 2021 een enorme hoeveelheid kennis vergaard van materialen en elektronica, soms kunnen we nog veel leren van de simpele modder aan onze kust.

Robin Bonné is genomineerd voor de Vlaamse PhD Cup. Ontdek meer over zijn onderzoek op www.phdcup.be.