Hvad kan kabelbakterier lære os om bæredygtig elektronik?

Det er en februar morgen på Marselisborg havn i Aarhus. Vinden suser, og vandet er isnende vinterkoldt.

Mellem bådene dukker en gruppe biologer og fysikere i waders op, bevæbnet med spande og skovle.

Hvad leder vi efter?

Frisk og stinkende mudder. For det er dér, de mystiske kabelbakterier holder til.

At vi trodser kulden denne morgen for et lille uanseligt væsen kan virke overraskende, men der er en god grund.

Da holdet af mikrobiologer ledet af Lars Peter Nielsen opdagede kabelbakterien i Aarhus i 2012, forudså de nemlig, at den kunne lede elektricitet over hidtil usete afstande og omskrive hele vores idé om elektricitet i naturen.

Denne opdagelse bragte en interessant tanke frem i en fysiker som mig: Kunne vi nogensinde bruge disse bakterier som ledninger i vores elektronik?

Det ville være ganske nyttigt, for hvert år smider vi omkring 40 millioner tons elektronisk affald ud, som det er svært at genbruge.

De giftige metaller i affaldet er ikke kun skadelige for miljøet, men påvirker også direkte sundheden for folk, der arbejder i genbrugsbedrifter.

At leve af elektricitet

Hvis det lyder mærkeligt for dig, at bakterier leder elektricitet, så lad os starte med dette:

Naturen (og vores kroppe i særdeleshed) er fuld af elektricitet.

Alt levende, som en bakterie eller en menneskecelle, skal producere energi for at leve. Den energi skabes fra en kemisk reaktion mellem mad og ilt, hvor små elektriske ladninger udveksles.

I hver af vores celler bevæger elektriske signaler sig således konstant over meget små afstande.

Det er her, det bliver specielt at være kabelbakterie. De lever nemlig af svovl (mad) og ilt, men svovlen findes kun flere centimeter dybt i mudderet, mens ilt kun findes i toppen.

Derfor består kabelbakterien ikke af én celle, som de fleste bakterier gør, men danner en lang kæde på op til 10.000 celler i træk.

Bakterierne strækker sig lodret i mudderet for at få adgang til begge næringsstoffer på én gang.

De elektriske ladninger, der udveksles mellem svovl og ilt, rejser igennem hele den centimeter lange kæde af bakterier.

Holdet der opdagede kabelbakterierne så kun én mulig forklaring: De skal lede elektrisk strøm for at holde sig i live.

Den forklaring førte et åbenlyst spørgsmål med sig: Kan kabelbakterierne virkelig lede elektricitet som et strømkabel?

Efter vores ekspedition i Marselisborg fiskede vi i laboratoriet forsigtigt de små bakterier op af mudderet og placerede bakterien mellem to elektroder.

Og ganske rigtigt viste det sig, at de faktisk ledte strøm - selv når de er døde!

Dermed viste vi ikke blot, at kabelbakterier kan overføre elektriske signaler for at overleve, men at de også selv producerer det ledende biomateriale.

Bakterierne flytter altså ikke bare elektriske ladninger; de danner selv biomateriale, der leder strøm på samme måde som en kobberledning.

Som et tog med 10.000 vogne

Biologisk set var det en stor nyhed. Vi har i årevis kendt elektricitet (med elektroner, ikke ioner) over store afstande, som den i de elektriske ledninger i vores hus eller i vores smartphones.

Men i naturen var den førhen kun blevet målt over små afstande på en tusindedel af en millimeter.

Nu har vi opdaget en organisme, der kan lede elektrisk strøm over en centimeter. Det er en gigantisk afstand på biologisk skala.

Omregnet til menneskelig målestok er en kabelbakterie som et tog med 10.000 vogne, der strækker sig hele vejen fra Aarhus til København.

Fordi der kun er mad i Aarhus og kun er luft i København, skal energien konstant transporteres fra vogn til vogn.

Men hvordan er kabelbakterierne i stand til at lede elektricitet over en hidtil uset stor afstand?

Mine kollegers eksperimenter med et atomkraft-mikroskop viste, at strømmen ikke løber gennem selve bakterierne.

Den løber i stedet gennem en masse fibre på 50 nanometer i diameter – en tusindedel af tykkelsen af et hår – placeret lige under bakteriens ydre cellemembran.

Vi kan se det som, at kabelbakterierne har en jakke, hvorunder et helt netværk af elektriske kabler er skjult.

Og det er et smart design af et elektrisk kredsløb, for hvis et kabel går i stykker, kan strømmen fortsætte med at løbe gennem kablerne omkring det.

Det minder meget om de sikringer, vi bygger ind i vores elektronik for at fejlsikre dem.

En bakterie med mange egenskaber

Tilbage til vores udgangspunkt: Kunne vi nogensinde bruge disse bakterier som ledninger i vores elektronik?

I modsætning til de ledninger, vi kender, består kabelbakteriernes ledende fibre af proteiner, som er perfekt komposterbare. Deres nøjagtige sammensætning er vi stadig ved at undersøge.

Men selv uden at kende fibrenes kemiske struktur, kan vi bruge elektriske målinger til at undersøge, om kabelbakterier kan bruges i bioelektronik.

For eksempel fandt vi ud af, at de tynde fibre kan klare meget høje strømme, endda flere end der i øjeblikket løber gennem strømkablerne i vores hjem. Det gør dem ideelle til brug i elektronik.

Endnu mere interessant end deres evne til at lede elektricitet er, at de kan bruges til beregninger.

Den grundlæggende byggesten, hvorfra enhver computer er bygget og leverer sin computerkraft, er transistoren, som er en form for en mini elektrisk afbryder.

Ud over fremragende ledningsevne fandt vi ud af, at de også har egenskaber som en transistor. Med andre ord kan vi forstærke strømmen gennem bakterien med et elektrisk felt.

Vi er endnu ikke klar til at lave en computer med kabelbakterier, men vi demonstrerer klart, at det er muligt at genskabe forskellige elektroniske kredsløb ved hjælp af kun biologiske materialer.

Bakterietelefonen?

Betyder det, at vi virkelig kan bruge kabelbakterier som elektriske kabler?

Chancen for, at vi vil fiske kabelbakterier til at lave fremtidige smartphones er lille, men denne forskning er en interessant start på en lang søgen efter at gøre vores elektriske apparater bæredygtige.

Vores forventning er, at vi ved at studere kabelbakterierne vil lære en masse om kraftfibrenes kemiske struktur, så vi til sidst selv kan producere dem eller en syntetisk analog i laboratoriet.

På den måde kan vi få ledninger i vores elektronik, der ikke skaber 40 millioner tons farligt affald om året.

Så selvom vi i 2023 har samlet en enorm viden om materialer og elektronik, er der stadig meget vi kan lære af det simple mudder fra de danske kyster.