Waarom bacteriën elektriciteit geleiden

Het verhaal begon zeven jaar geleden toen Deense maritieme onderzoekers onverklaarbare vindingen presenteerden. Die hadden ze ontdekt in de bovenste paar centimeters van de zeebodem. Aan de onderkant daarvan zat het stinkende waterstofsulfide (H₂S), en in het zeewater daarboven zat zuurstof opgelost. Maar de tussengelegen zandachtige laag, waar geen sulfide in voorkwam, konden ze niet verklaren. Hoe was dat verdwenen?

Teruggekeerd nam Meysman met zijn team monsters uit de Oosterschelde om de proef op de som te nemen. Deze samples vertoonden hetzelfde profiel dat de Denen hadden gepresenteerd. Daarnaast viel op dat er witte dunne draden door het slib liepen. De onderzoekers toonden aan dat kabelbacteriën, zoals ze werden genoemd, overal in de zeebodem aanwezig zijn, en dat het elektrisch transport dat ze veroorzaken van grote invloed is op het ecosysteem van het slib. Meysmans voorstel om het nieuwe verschijnsel van microbiële elektriciteit nader te onder zoeken leverde hem in 2017 een Vici-onderzoeksbeurs op.

Maar hoe kan een lange bacterie elektriciteit geleiden? Zoiets was ongekend. Om daarachter te komen nam Meysman contact op met prof.dr.ir. Herre van der Zant (quantum nanoscience bij TNW) die zeer bedreven is in elektrische metingen van bio-moleculen. Het meten van de geleidbaarheid van kabelbacteriën bleek verre van simpel. De filamenten moesten meerdere biochemische stappen ondergaan die eufemistisch ‘de wasstraat’ heten. Daarna werden ze op een chip met gouden contacten gelegd en onder stikstof bemeten (zuurstof tast de geleiding aan). Zo kon het team het bestaan te bevestigen van ‘hoog geleidende fibers in het omhulsel van de cel’, zoals ze schrijven in Nature Communications.

De natuur ontwikkelt nooit iets voor niks, dus wat voor baat hebben bacteriën bij hun geleidbaarheid? Meysman heeft er een nette verklaring voor. Bacteriën, zegt hij, krijgen hun energie uit de oxidatie van sulfide. Daarvoor moeten ze toegang hebben tot zowel sulfide (de elektrondonor) als zuurstof (de elektronacceptor). De laag waarin beide stoffen in voldoende mate aanwezig zijn, is alleen heel dun (zie links in grafiek).

Door geleidende filamenten te vormen (rechts in grafiek) kunnen kabelbacteriën in een veel dikkere laag overleven, waarbij ze bovendien andere microben, die niet geleidend zijn, de loef afsteken omdat het leefgebied van de kabelbacteriën veel groter is dan van geïsoleerde bacteriën.

Vervolgonderzoek is erop gericht om de samenstelling en de structuur van de geleidende fibers op de celwand te achterhalen. Mogelijk is die kennis toepasbaar in de ontwikkeling van nieuwe geleidende biopolymeren. Meyman speelt met de gedachte van ‘tijdelijke elektronica’ voor sensors die gedurende een vooraf bepaalde tijd functioneren, en dan afgebroken worden. “Waarom zou je alle elektronica voor de eeuwigheid maken?”, vraagt hij retorisch. “De ontdekking van microbiële elektriciteit opent de deur tot nieuwe toepassingen. We hebben net de deur op een kier gezet. Nu zijn we erg benieuwd naar wat daarachter schuil gaat.”