Experimentelle Plattform liefert Erkenntnisse über mikrobielle Brennstoffzellen
Elektroaktive Bakterien können ihren respiratorischen Stoffwechsel direkt an ihre extrazelluläre Umgebung anpassen, indem sie Elektronen über biologische Membranen auf Elektroden übertragen. Sie stellen damit kostengünstige Elektrodenkatalysatoren dar und könnten die Leistung bioelektrochemischer Geräte erheblich verbessern, wenn Strategien zur Verbesserung von Anhaftung und Elektronentransfer entwickelt werden.
Aktivitätsanalysen bei elektroaktiven bakteriellen Proteinen
Bislang mangelt es noch an Grundlagenwissen zum Mechanismus des Elektronen-Protonen-Transfers bei elektroaktiven Bakterien. Einige dieser Prozesse können Metabolismus und Stabilität der Biofilme beeinträchtigen, sodass katalytische Biofilme nur begrenzt nutzbar sind. Bekannt ist bereits, dass Membranproteine mit komplexer Struktur und Redoxeigenschaften diesen Prozess beschleunigen können. Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts MELBA war daher neues Grundlagenwissen und die Nutzung des Ladungstransfers bei Proteinen gramnegativer elektroaktiver Bakterien für biotechnologische Anwendungen. Unterstützt durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen entwickelte die Wissenschaftlergruppe eine elektrochemische Plattform, um die Aktivität spezifischer, aus Bakterien extrahierter Proteine zu untersuchen. „Im Mittelpunkt standen für uns Proteine aus elektroaktiven Bakterien, d. h. Mikroorganismen, die keinen Sauerstoff zum Atmen brauchen (wie der Mensch oder aerobe Bakterien), sondern extrazelluläre Feststoffe wie Eisenoxide reduzieren“, erklärt Projektkoordinator Frédéric Barrière. Die Plattform besteht aus einer Elektrode, die mit natürlichen Lipiden beschichtet ist und so das zu untersuchende Transmembranprotein biomimetisch aufnehmen kann. Weiterhin wurde die Elektrode mit pH-responsiven Molekülen wie Chinonen beschichtet, um den Elektronen- und Protonentransfer elektroaktiver Bakterien zu analysieren. „An einem Redox-Protein-Modell konnten wir zeigen, dass das Konzept funktioniert und mit derselben Elektrode sowohl Elektronen- als auch Protonentransfer gemessen werden können“, fährt Barrière fort. Durch Immobilisierung von Cytochrom c auf der Lipidträgerschicht der Oberfläche der Kohlenstoffelektrode konnte das elektrochemische Verhalten mittels Zyclovoltammetrie gemessen werden. MELBA-Projektstipendiatin Estelle Lebègue will diese Arbeit nun fortführen und mit der Plattform verschiedene Membranproteine weiter untersuchen, die sie aus elektroaktiven Bakterien aufgereinigt hat.
Zukunftsperspektiven für die MELBA-Technologie
Mikrobielle bioelektrochemische Systeme könnten die künftige Energiewende maßgeblich voranbringen. Prinzipiell könnten diese Systeme das Wasser in Kläranlagen durch Oxidation organischer Abfälle für die Stromerzeugung aufbereiten. Ihre Leistung reicht allerdings für den industriellen Einsatz noch nicht aus, sodass die Grundlagen- und angewandte Forschung zu Bakterien und den Faktoren, die katalytische Biofilme leistungsfähiger machen, intensiviert werden muss. Die MELBA-Plattform erweitert den Kenntnisstand zu elektroaktiven Bakterien und ihren Proteinen für den Einsatz in elektrochemischen Systemen. Genauere Analysen von Redoxproteinen und deren extrazellulärer Protonentransportfähigkeit werden die Lebensfähigkeit elektroaktiver Mikroorganismen und katalytischer Biofilme verbessern. Künftig soll die Plattform durch Immobilisierung geeigneter Ionensensoren auf der Elektrodenoberfläche erweitert werden, um die Aktivität von Ionophoren zu untersuchen. Insgesamt wird die MELBA-Plattform biotechnologische Anwendungen der elektroaktiven mikrobiellen Katalyse voranbringen, z. B. mikrobielle Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen. Da dem Klimawandel insbesondere durch erneuerbare Energieträger entgegengewirkt werden soll, wird die Verbesserung der Bakterienleistung in Brennstoffzellen dazu beitragen, künftig fossile Brennstoffe bei der Stromerzeugung zu ersetzen.
Schlüsselbegriffe
MELBA, elektroaktive Bakterien, Protein, Elektrode, elektrochemisch, Membran, elektrochemisches System, Protonentransfer, Elektronentransfer, Extrakt