Biologische Batterien

Manche Bodenbakterien geben Strom an ihre Umgebung ab. Diesen Prozess zu optimieren ist das Ziel von Smart B.O.B. (© TU Berlin / PR / Dominic Simon)

Evolutionsbiologisch betrachtet sind sie uralt, aber ihr Potential wird jetzt erst nach und nach entdeckt: Sogenannte Elektromikroben stehen in der aktuellen Nachhaltigkeitsdebatte unter besonderer Beobachtung vieler Wissenschaftler*innen weltweit. Sie können Elektronen – also letztlich Strom – produzieren und weiterleiten. Und das weitgehend ohne Energieverluste. Betrachtet man Strom in einem molekularen Maßstab, so ist das eigentlich nichts anderes als ein gerichteter Fluss von Elektronen, den alle lebenden Organismen innerhalb ihrer Zellen nutzen.  Im Rahmen des diesjährigen BIOMOD-Wettbewerbs (Biomolecular Design) für Studierende aus aller Welt in San Francisco arbeitet ein interdisziplinäres Team an der TU Berlin genau an dieser Thematik.  „Unser Ziel ist eine biologische Batterie“, so Franziska Graeger, Masterstudentin der Biologischen Chemie an der TU Berlin und Mitglied im Team Smart B.O.B. (Smart Biologically Optimized Battery).

Innerhalb einer Zelle wird bei manchen Sprüngen von Elektronen von einem auf das andere Moleküle Energie frei. Seit einigen Jahren kennen Wissenschaftler Bakterien, die in der Lage sind, auf diese Weise Elektronen an ihre Umgebung abzugeben. Über bestimmte Membranen leiten einige dieser Bakterien die Elektronen zum Beispiel an positiv geladene Metallionen in ihrer Umgebung weiter.

Die Wissenschaftler*innen von Smart B.O.B. nutzen verschiedene Bakterienarten und kombinieren deren Fähigkeiten. „Das Bakterium Shewanella besitzt ein spezielles Proteinkonstrukt in seiner Membran, um Elektronen gezielt an Eisen oder Mangan in der Umgebung abzugeben. Unser erster Schritt ist es, dieses Protein gentechnisch in Cyanobakterien einzubringen.“ Cyanobakterien sind eine Art Schnittstelle zwischen Pflanzen und Bakterien. Sie sind autotroph, können also aus dem Kohlendioxid der Atmosphäre mit Hilfe von Sonnenlicht den Energieträger Glukose und Sauerstoff produzieren. „Wenn es uns gelingt, den Proteinkomplex aus Shewanella in die Cyanobakterien zu bringen, könnten diese Proteine gezielt die Elektronen aus der Photosynthese übernehmen und nach außen an eine Elektrode abgeben. So könnte ein Stromfluss erzeugt werden“, erläutert die Biochemikerin die Pläne der Gruppe.  

Schon jetzt ist es möglich, in geringem Umfang freie Elektronen von verschiedenen Bodenbakterien aufzufangen. Das demonstrieren die Wissenschaftler*innen eindrucksvoll mit einem kleinen Lämpchen auf einem Einmachglas mit Erde. Zwei spezielle Elektroden nehmen die Elektronen von den Bodenbakterien in der Erde auf und leiten sie an das Lämpchen weiter. „Dabei wird natürlich nur wenig Strom aufgefangen“, so Franziska Graeger. „So können wir damit nur eine kleine Lampe betreiben. Unser Ziel ist es, möglichst viele Proteinkomplexe aus Shewanella in die Cyanobakterien zu klonieren, damit deutlich mehr Strom fließt. Diese speziellen Bakterien könnten dann mit Hilfe eines konventionellen Druckers direkt auf die Elektroden aufgebracht werden, so dass ein unmittelbarer Austausch der Elektronen entsteht und die Ausbeute optimiert wird.“  

Bereits seit 2015 nimmt ein interdisziplinäres Team verschiedener Berliner Universitäten an dem internationalen BIOMOD-Wettbewerb teil. Gehostet wird das Projekt von dem Fachgebiet Biokatalyse von Prof. Nediljko Budisa und dem Exzellenzcluster UniSysCat an der TU Berlin, unterstützt durch den Preis für vorbildliche Lehre der Gesellschaft von Freunden der TU Berlin. „Interdisziplinarität ist für das Projekt extrem wichtig“, so Franziska Graeger, „denn wir müssen nicht nur im Labor stehen und erfolgreich biochemisch arbeiten, sondern komplett alles selbst organisieren: Ein funktionierendes Labor, eine gute Website, eine ansprechende Performance auf dem Jamboree im Oktober in San Francisco und nicht zuletzt die gesamte Finanzierung des Projektes und unsere Reise zu dem Wettbewerb. Daher sind wir auch immer noch auf der Suche nach neuen Unterstützern.“