26.08.2013

Informationsdienst Wissenschaft - idw

Mit Bakterien-Batterie Strom erzeugen

Mit ihrer Idee sind sie auf der Höhe der Zeit: Zehn BielefelderStudierende haben es sich zum Ziel gesetzt, eine Biobatterie zukonstruieren. Sie wollen mit Hilfe des Bakteriums Escherichia coli Zuckerdirekt in Energie verwandeln. Mit diesem Projekt nehmen die Studierendenam diesjährigen „international Genetically Engineered Machine competition“(iGEM) am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston, USA,teil.

Seit Mai verbringen sie viele Stunden ihrer freien Zeit im Labor, umihre Idee in die Realität umzusetzen. Mit den ersten Laborergebnissen, dienun vorliegen, startet das Projekt in die heiße Phase.Student Thorben Meyer erklärt, wie er und seine Teamkolleginnen und-kollegen auf die Idee für das Projekt gekommen sind:„AlternativeEnergiequellen erfreuen sich einer immer weiter wachsenden Nachfrage. DieSchonung fossiler Rohstoffe und der Ausstieg aus der Atomenergie inDeutschland haben diesen Prozess rapide beschleunigt.“ Ein weiterer Faktorin den
Überlegungen: die Umweltbelastung durch herkömmliche Batterien.„Nicht nur die Großstromproduktion belastet die Umwelt, auch Batterien fürden Haushaltsgebrauch enthalten zahlreiche Schadstoffe. Schwermetalle undgefährliche anorganische und organische Elektrolyte können beiunsachgemäßer Verwendung der Batterien in die Umwelt freigesetzt werden“,so Meyer.

Biobatterie als alternative EnergiequelleDeshalb ist das Ziel des Bielefelder iGEM-Teams die Entwicklung einerumweltfreundlichen Biobatterie (Microbial fuel cell – MFC), die Bakterienzur unmittelbaren Energieerzeugung nutzt. Solch eine Batterie funktioniertim Prinzip wie eine herkömmliche Batterie – mit einem Unterschied. Die MFCbesteht, ebenso wie derzeitige Batterien für den Hausgebrauch, aus zweiseparaten Einheiten, dem Anoden- und dem Kathodenraum. Beide Bereiche sinddurch eine teilweise durchlässige Membran getrennt. Im Unterschied zurherkömmlichen Batterie befinden sich im Anodenraum der Biobatterie jedochkeine Elektrolyte, sondern Bakterien. Diese bauen Substrate, in diesemFall Zucker, im Stoffwechsel ab. Dabei entstehen Elektronen, die an dieAnode und über einen externen Kreislauf schließlich an die Kathodeabgegeben werden. Der externe Kreislauf ist dabei die mit der Batteriebetriebene Anwendung, beispielsweise Lampen oder kleine Motoren. Aufdiesem Weg lässt sich mit Bakterien Strom produzieren. Die Biobatteriebietet eine Reihe von Vorteilen – unter anderem ist sie aufgrund dereinfachen Bauweise auch in Gebieten mit Strommangel, zum Beispiel inEntwicklungsländern, einsetzbar.

Ein Vorzug der Biobatterie gegenüberanderen regenerativen Energiequellen, wie der Wind- und Solarenergie ist,dass sie vom Wetter unabhängig Strom produzieren kann. Bei ihr gilt: Jemehr Nahrung die Bakterien bekommen, desto mehr Energie erzeugen sie.Darüber hinaus stellen Bakterien theoretisch ein unerschöpflichesEnergiereservoir dar, da sie sich bei Substratzugabe schnell vermehren.Im Labor untersuchen die Bielefelder Studierenden unterschiedlichebakterielle Organismen und deren genetische Komponenten. Durch dieKombination verschiedener Gene ist es möglich, den Organismus Escherichiacoli im Hinblick auf eine effiziente Stromerzeugung zu optimieren. ErsteErfolge können die Studierenden bereits vermelden: Sie haben verschiedeneGene zur Elektronenübertragung isoliert und mit der Konstruktion einergeeigneten Apparatur zur Stromproduktion begonnen. Bis zum europäischenVorentscheid von iGEM im Oktober wollen sie eine optimierte Biobatteriezum Betrieb von Kleinanwendungen entwickeln.Mehr als nur LaborarbeitParallel zur experimentellen Arbeit im Labor ist es Aufgabe derStudierenden, ihr Projekt in der Öffentlichkeit darzustellen. Und auch dieSponsorensuche muss das Team als Teil des Wettbewerbs meistern:Teilnahmegebühren, Reisekosten sowie Unterkünfte schlagen mit circa 20.000Euro zu Buche. Die komplette Arbeit für das Projekt leisten dieTeammitglieder neben ihrem regulären Studium. Was motiviert die zehnStudierenden der Molekularen Biotechnologie und Genom-basiertenSystembiologie zu diesem Engagement? „Die Arbeit bei iGEM bietet dieChance, konzentriert ein Projekt durchzuführen und sich mit herausragendenNachwuchsforschern zu messen“, sagt Nadiya Romanova.

„Außerdem ermöglichtdie Teilnahme am dem weltweit ausgetragenen Wettbewerb bereits während desStudiums einen Einblick in Forschungsprozesse und Innovationen im Bereichder synthetischen Biologie.“ Das iGEM-Team Bielefeld erhält Unterstützungvon Professor Dr. Alfred Pühler, Professor Dr. Erwin Flaschel, Dr. JörnKalinowski sowie Dr. Christian Rückert vom CeBiTec (Center forBiotechnology) der Universität Bielefeld.Zahlreiche und starke Konkurrenz aus aller WeltDer iGEM-Wettbewerb wird seit 2004 jährlich am MIT ausgerichtet.

Anfangsein Kursangebot des MIT, steigen die Teilnehmerzahlen seitdem stetig an –von fünf Teams 2004 auf über 210 in diesem Jahr. „iGEM ist internationalder bedeutendste studentische Wettbewerb der synthetischen Biologie. Inseiner Form ist er weltweit einzigartig“, fasst Dr.
Kalinowski zusammen.„Die synthetische Biologie ist die neueste Entwicklung im Bereich dermodernen Biologie, die Teilnahme am Wettbewerb eröffnet den Studierendenneue Perspektiven und sie haben die Gelegenheit, sich gegenüberNachwuchswissenschaftlern aus aller Welt zu beweisen.“ Der europäischeVorentscheid findet vom 11. bis 13. Oktober in Lyon, Frankreich, statt.Hier entscheidet sich, welche europäischen Teams im November zum Finaleans MIT nach Boston reisen. Die Universität Bielefeld ist bereits imvierten Jahr in Folge dabei und hat sich von
2010 bis 2012 erfolgreich inBoston präsentiert. In den letzten beiden Jahren zählten die Bielefeldersogar zu den 16 Teams besten der Welt.

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