Бактерия Shewanella oneidensis относится к так называемым экзоэлектрогенным бактериям. Эти бактерии могут производить электроны в процессе обмена веществ и переносить их наружу клетки. Однако использование этого типа электричества всегда ограничивалось ограниченным взаимодействием организмов и электрода.
В отличие от обычных батарей, материал этой «органической батареи» не только должен проводить электроны к электроду, но и оптимально связывать как можно больше бактерий с этим электродом. До сих пор проводящие материалы, в которые могли быть встроены бактерии, были неэффективными, или было невозможно контролировать электрический ток.
Команда профессора Кристофа М. Нимейеру удалось разработать нанокомпозит, который поддерживает рост экзоэлектрогенных бактерий и в то же время проводит ток контролируемым образом. «Мы произвели пористый гидрогель, который состоит из углеродных нанотрубок и наночастиц диоксида кремния, переплетенных нитями ДНК», – говорит Нимейер.
Затем группа добавила к каркасу бактерию Shewanella oneidensis и жидкую питательную среду. И эта комбинация материалов и микробов сработала. «Культивирование Shewanella oneidensis в проводящих материалах демонстрирует, что экзоэлектрогенные бактерии оседают на каркасе, в то время как другие бактерии, такие как Escherichia coli, остаются на поверхности матрицы», – объясняет микробиолог профессор Йоханнес Гешер. Кроме того, команда доказала, что поток электронов увеличивается с увеличением количества бактериальных клеток, оседающих на проводящей синтетической матрице. Этот биогибридный композит оставался стабильным в течение нескольких дней и проявлял электрохимическую активность, что подтверждает, что композит может эффективно проводить электроны, произведенные бактериями, к электроду.
Такая система должна быть не только токопроводящей, но и управлять процессом. Это было достигнуто в эксперименте: чтобы отключить ток, исследователи добавили фермент, который разрезает нити ДНК, в результате чего композит разлагается.
«Насколько нам известно, такой сложный функциональный биогибридный материал описан впервые. В целом, наши результаты показывают, что потенциальные применения таких материалов могут даже выходить за рамки микробных биосенсоров, биореакторов и систем топливных элементов », – подчеркивает Нимейер.