Bakterien , die in schlammigen Sedimenten auf der ganzen Welt leben, ernähren sich und wachsen, indem sie elektrisch leitende Drähte bauen. Mitglieder eines Forschungsteams wollen herausgefunden haben, wie diese Miniatur-Elektriker, die so genannten Kabelbakterien, funktionieren: Sie stellen winzige Platten aus Nickel und organischen Verbindungen her, die sie zusammenspleißen und verflechten, um leitende Fasern herzustellen.

Experten glauben, dass sie das erste biologische Beispiel für metallorganische Gerüste gefunden haben, eine Art von Material, dessen Schöpfer letzten Monat den Nobelpreis für Chemie erhalten haben. Die von den Bakterien erzeugten Drähte leiten Elektrizität viel besser als synthetische organische Drähte, was zu flexibler, biokompatibler, metallarmer und stromsparender Elektronik führen könnte.

Die neue Studie , die letzten Monat als Preprint auf bioRxiv veröffentlicht wurde, ist noch nicht von Experten begutachtet worden. Lars Peter Nielsen, ein Elektromikrobiologe an der Universität Aarhus, der nicht an der Studie beteiligt war, findet die Ergebnisse jedenfalls sehr beeindruckend. "Wenn sich dies bewahrheitet, könnte dies ein bedeutender Schritt zum Verständnis der Fähigkeiten von Kabelbakterien sein", sagt er. "Danach haben wir schon seit Jahren gesucht."

Seit Nielsens Team 2009 erstmals Kabelbakterien im dänischen Hafen von Aarhus entdeckte, wurden diese Mikroorganismen in Sedimenten von Seen, Flüssen und Ozeanen auf der ganzen Welt gefunden. Sie ernähren sich von schwefelhaltigen Verbindungen, die bei der Zersetzung organischer Stoffe freigesetzt werden, wie z. B. Schwefelwasserstoff. Die Bakterien entziehen dem geruchlosen, farblosen Gas Elektronen und übertragen sie schließlich auf Sauerstoff, der nur in der oberen Schicht des Sediments reichlich vorhanden ist. Da die Elektronen vom höheren Energiezustand des Schwefelwasserstoffs auf den niedrigeren Energiezustand des Sauerstoffs übertragen werden, können die Mikroben diesen Energieüberschuss nutzen.

Um zu wachsen und Zugang zu Schwefelwasserstoff zu erhalten, der in tieferen Sedimenten reichlich vorhanden ist, müssen die Mikroben weiterhin reagieren, indem sie an der Oberfläche Elektronen auf Sauerstoff übertragen. Die Lösung der Bakterien: Teilung und Zusammenarbeit. Wenn sich die Bakterien vermehren, bilden sie Drähte im Schlamm und bilden einen einzigartigen Superorganismus mit einer gemeinsamen äußeren Zellmembran. "Das ist ein einzigartiges Phänomen in der Biologie", sagt Derek Lovley, Mikrobiologe an der Universität von Massachusetts.

Die Forscher haben bereits 5 Zentimeter lange Drähte gefunden, die aus 25.000 Kabelbakterien bestehen. Auf einem Quadratmeter Sediment befinden sich schätzungsweise 20.000 Kilometer Bakteriendrähte. Die Forscher haben festgestellt, dass diese winzigen Ingenieure die chemische Zusammensetzung des Sediments grundlegend verändern, indem sie die Umwandlung von Mineralien fördern, den Nährstoffkreislauf anregen und die Ionenwanderung stimulieren, was zur Versauerung tieferer Schichten führt.

Trotz mehr als einem Jahrzehnt der Forschung konnte die Struktur der Leiter jedoch nicht bestimmt werden. Filip Meysman, Chemieingenieur an der Universität Antwerpen, ist der Antwort nun einen Schritt näher gekommen. Er und seine Kollegen isolierten einzelne Bakterienstränge und stellten mit Hilfe der Elektronenmikroskopie fest, dass ihre Peripherie Dutzende von Ausstülpungen mit leitenden Fasern von 50 Nanometern Durchmesser enthielt. Bei näherer Betrachtung stellten die Forscher fest, dass diese Fasern Bündel von noch kleineren, ineinander verschlungenen "Nanobändern" enthielten.

Mit Hilfe von Röntgenspektroskopie, Röntgenfluoreszenz und Computermodellierung hat das Team dann die Struktur dieser Nanobänder bestimmt. Die Forscher glauben nun, dass die Kabelbakterien kleine Mengen Nickel aus Sedimenten und Wasser sammeln und diese Metallatome mit schwefelhaltigen organischen Verbindungen kombinieren, um lange, plattenartige Strukturen zu bilden. Diese Scheiben werden zu Nanobändern gestapelt, die dann zu Bündeln verwoben werden, um flexible Drähte zu bilden, ähnlich den geflochtenen Kupferdrähten, die in der heutigen Haushaltselektronik verwendet werden. "Es ist faszinierend, wie die Evolution diese Struktur optimiert hat", sagt Nielsen.

Die Forscher glauben außerdem, dass es sich bei dieser Struktur um die erste bekannte biologisch hergestellte organometallische Skelettstruktur handelt, eine Materialgruppe, die die Phantasie der Chemiker seit Jahren anregt. Die hohlen Teile dieser porösen Materialien können so geformt werden, dass sie bestimmte Moleküle einschließen, was sie für die Speicherung von Wasserstoff und Methan oder für die Absorption von Wasserdampf oder Kohlendioxid aus der Luft nützlich macht.

Chemiker haben auch eigene Methoden zur Synthese von Nickel und organischen Verbindungen zu leitfähigen Nanodrähten entwickelt. Meysman und Kollegen berichteten jedoch, dass bakterielle Nanobänder hundertmal leitfähiger sind als synthetische Versionen. Lovley zufolge arbeiten die Forscher bereits an der Anpassung anderer bakterieller Drähte, um künstliche Nervenzellen und neuartige chemische Sensoren zu schaffen und sogar Strom direkt aus feuchter Luft zu gewinnen.