Levende elektroder med bakterier og organisk elektronik

Forskere ved Laboratory of Organic Electronics, Linköpings Universitet, har sammen med kolleger ved Lawrence Berkeley National Laboratory i Berkeley, Californien, udviklet en metode, der øger signalstyrken fra mikrobielle elektrokemiske celler med op til tyve gange. Hemmeligheden er en film med en indlejret bakterie:Shewanella oneidensis.

Tilføjelse af bakterier til elektrokemiske systemer er ofte et miljømæssigt følsomt middel til at omdanne kemisk energi til elektricitet. Anvendelser omfatter vandrensning, bioelektronik, biosensorer, og til høst og opbevaring af energi i brændselsceller. Et problem, som miniaturisering af processerne er stødt på, er, at en høj signalstyrke kræver store elektroder og et stort væskevolumen.

Forskere ved Linköpings Universitet, sammen med kolleger ved Lawrence Berkeley National Laboratory i Berkeley, Californien, USA, har nu udviklet en metode, hvor de indlejrer den elektroaktive bakterie Shewanella oneidensis i PEDOT:PSS, en elektrisk ledende polymer, på et underlag af kulfilt.

Forskerne kalder resultatet for en "flerlags ledende bakterie-kompositfilm, " forkortet som MCBF. Mikroskopisk analyse af filmen viser en sammenflettet struktur af bakterier og ledende polymerer, der kan være op til 80 µm tykke, meget tykkere, end det kan være uden denne specifikke teknik.

"Vores eksperimenter viser, at mere end 90% af bakterierne er levedygtige, og at MCBF øger strømmen af ​​elektroner i det eksterne kredsløb. Når vores film bruges som anode i mikrobielle elektrokemiske celler, strømmen er 20 gange højere end ved brug af umodificerede anoder, og forbliver sådan i mindst flere dage, " siger Gábor Méhes, forsker ved Linköpings Universitet og en af ​​hovedforfatterne til den videnskabelige artikel, der for nylig blev offentliggjort i Videnskabelige rapporter .

Tidligere arbejde har testet, blandt andet, kulstof nanorør for at øge overfladearealet ved anoden, men resultaterne var dårlige.

Muligheden for at koble biologiske processer med læsbare elektriske signaler er også værdifuld, for eksempel til miljøsensorer, der kræver hurtige responstider, lavt energiforbrug, og evnen til at bruge mange forskellige receptorer. Forskere har for nylig demonstreret, hvordan man bruger Shewanella oneidensis til at producere elektriske strømme som reaktion på arsen, arabinose (en type sukker) og organiske syrer, blandt andre.

"Denne teknologi repræsenterer en type "levende elektrode", hvor elektrodematerialet og bakterierne sammensmeltes til en enkelt elektronisk biofilm. Efterhånden som vi opdager mere om den væsentlige rolle, som bakterier spiller i vores egen sundhed og velvære, sådanne levende elektroder vil sandsynligvis blive alsidige og tilpasningsdygtige værktøjer til at udvikle nye former for bioelektroniske teknologier og terapier, siger Daniel Simon, hovedefterforsker i Organic Bioelectronics ved Laboratory of Organic Electronics.