Overslaan en naar de inhoud gaan
researchers holding tube
Diana Vasquez Cardenas en Filip Meysman met een sample van cable bacteria. (Foto: Jos Wassink)

Bacteriën in de zeebodem rijgen zich aaneen tot centimeters lange geleidende draden. TU-onderzoekers beschrijven dit bijzondere fenomeen in Nature. Hoe is het toe te passen?

Read in English

In de levende natuur beperkt elektrische geleiding zich meestal tot een elektron dat van het ene naar een ander eiwit oversteekt over een afstand van nanometers. Het mechanisme dat de Delftse professors Filip Meysman, Herre van der Zant en hun medewerkers in Nature Communications beschrijven, speelt zich op een miljoenen keren grotere schaal af. Zij tonen aan dat tot wel tienduizend bacteriën zich aaneen kunnen rijgen tot vijf centimeter lange geleidende filamenten, vijftig keer dunner dan een menselijke haar.

Hun geleidbaarheid lijkt op die van organische materialen die gebruikt worden voor smartphone-beeldschermen. Deze geleidbaarheid is bijzonder, omdat kabelbacteriën die bereiken zonder geconcentreerde zuren of toevoeging van elementen als chloor, broom of natrium – zoals de industrie die toevoegt om organische geleiders te fabriceren.

Bak met zeebodem
Bak met zeebodem. (Foto: Jos Wassink)

Raadsel op de zeebodem

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?

Meysman, tegenwoordig verbonden aan de TU Delft (biotechnologie bij TNW) en aan de Universiteit van Antwerpen, was in 2012 aanwezig op de conferentie waar dit verschijnsel werd gerapporteerd. Hij herinnert zich dat onderzoekers verschillende verklaringen opperden, zoals een elektrische stroom door de bodem. Die zou verklaren hoe sulfide geoxideerd kon worden tot sulfaat, en het in het zeewater opgeloste zuurstof de elektronen zou opnemen. De experts verwierpen dit idee, omdat er voor zover bekend geen elektrische geleiders in de zeebodem zitten.

laarzen in de modder
Luke Broeders en Filip Meysman nemen monsters op Het Zwin. (Foto: Archief Meysman)

Laarzen in de modder

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.

herre van der zant
Herre van der Zant bij de meetopstelling. (Foto: Jos Wassink)

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.

doorsnede ondergrond
(Illustratie: Marjolein van der Veldt)

Grensverleggend

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.

EM foto
Elektronmicroscopiefoto van kabelbacteriën. (Foto: Archief Meysman)

Afbreekbare elektronica

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.”

  • Filip J. R. Meysman, Rob Cornelissen, Stanislav Trashin et. al., A highly conductive fibre network enables centimetre-scale electron transport in multicellular cable bacteria, Nature Communications, 11 September 2019. Direct link. 

Krijg Delta updates

Click here to unsubscribe