Für Olivia Gerhard, Doktorandin an der Ilmenau School of Green Electronics, begann diese besondere Forschungsreise mit einer sehr persönlichen Frage:
Wie lässt sich meine Begeisterung für Biologie mit meiner Leidenschaft für Technik verbinden?
Die ersten Antworten fand sie bereits im Bachelorstudium der Biomedizinischen Technik an der TU Ilmenau: Hier konnte sie ihr Interesse für biologische Systeme und Elektrotechnik verbinden. Für ihre Bachelorarbeit wechselte Olivia Gerhard an ein Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und untersuchte dort Biosensoren - winzige Systeme, die Biomoleküle quantitativ messbar machen:
Dabei habe ich festgestellt, dass mir für das, was mich besonders interessiert, vor allem tiefere Kenntnisse in Chemie fehlen.
Statt ihr Studium am KIT fortzusetzen, kehrte sie deshalb für einen Master in Biotechnischer Chemie nach Ilmenau zurück, mit Schwerpunkt auf miniaturisierten Technologien.
Forschung an der Schnittstelle von Biologie und Technik
Der entscheidende Moment, der sie schließlich als Doktorandin zur Ilmenau School of Green Electronics führte, folgte kurz vor dem Masterabschluss im Gespräch mit Jialan Cao-Riehmer, Nachwuchsgruppenleiterin am Fachgebiet Physikalische Chemie/ Mikroreaktionstechnik, wo ihre Masterarbeit entstand. Sie machte sie auf die Möglichkeit einer Promotion in der ISGE aufmerksam. Für Olivia fühlte sich das an, als würde ein fehlendes Puzzlestück einrasten:,,Das war genau die Schnittstelle, die ich gesucht habe. Biologie und Technik - und dazu der Nachhaltigkeitsgedanke. Das hat mich sofort fasziniert."
Im Zentrum von Olivias Forschung stehen Mikroorganismen, so genannte elektrotrophe und exoelektrogene Bakterien, die eine besondere Fähigkeit besitzen: Sie können Elektronen aufnehmen und abgeben, weil ihr Stoffwechsel auf elektrochemischen Prozessen basiert. Diese Eigenschaft möchte sie nutzen, um die Bakterien mit elektronischen Bauteilen so zu verbinden, dass sie später gegebenenfalls sogar direkt als aktive elektrische Komponenten in elektronische Schaltungen integriert werden können - und so zu ,,lebenden elektronischen Systemen" werden, die sowohl festkörperartige als auch biologische Funktionen erfüllen.
Doktorvater Professor Michael Köhler erklärt:
Elektronische Systeme arbeiten im Wesentlichen seriell, während biologische Systeme wie das Gehirn extrem stark vernetzt und parallel arbeiten. Seit über 30 Jahren versucht man deshalb, die elektronische Welt mit biologischen Systemen zu verbinden.
Doch Nervenzellen im Gehirn sind hochkomplex. Bakterien dagegen sind einfacher aufgebaut - und trotzdem elektrisch aktiv. Prof. Köhler:
Unser Ziel ist es, diese elektrische Aktivität von Bakterien zu nutzen, um eine elektrische Kommunikation zwischen ihnen zu ermöglichen, so dass darauf aufbauend vielleicht sogar logische Operationen durchgeführt werden können.
Jialan Cao-Riehmer beschreibt es so:
Ich stelle mir das immer vor wie ein großes Stromnetzwerk, in dem unsere Bakterien wie kleine Kraftwerke fungieren, die leitfähige Strukturen ausbilden, um miteinander zu kommunizieren.
So könnten diese natürlichen ,,Kraftwerke", so die Vision des Teams, eines Tages Teil elektronischer Schaltkreise und einer grünen Elektronik werden. ,,Das wurde bisher noch wenig erforscht, deshalb ist unsere Arbeit noch sehr rudimentär", sagt Olivia Gerhard - und genau das macht für sie den Reiz ihrer Forschungsarbeiten aus.
Lässt sich der Stoffwechsel der Bakterien über Elektroden miteinander verbinden?
Für ihre Forschungen nimmt Olivia Gerhard zunächst einen gut erforschten Modellorganismus unter die Lupe: Shewanella oneidensis - und das aus gutem Grund, so die Nachwuchswissenschaftlerin:
Diese Bakterien nutzen das Natriumsalz der Milchsäure als Energiequelle und können den Überschuss an erzeugten Elektronen zur Elektrode abgeben.
Um diese Bakterien auf den Elektroden anwachsen zu lassen und so mit der Elektronik zu verbinden, dass die Elektronen an der Schnittstelle optimal fließen können, nutzt die Doktorandin mit Unterstützung von Martin Ziegler, Fachgebietsleiter Energiematerialien und -bauelemente an der Universität Kiel, so genannte Dünnschicht-Technologie.
Damit können wir mit Hilfe der Technologie am Zentrum für Mikround Nanotechnologien, dem ZMN, ein mikroelektronisches Fundament bauen, das den Stoffwechsel der Bakterien direkt mit der Elektronik verbindet.
In einem zweiten Schritt plant das ISGE-Team eine Mischkultur zu verwenden, die sowohl Elektronen abgibt als auch Elektronen aufnimmt, um diese ,,Kraftwerke" so miteinander zu verschalten, dass eine Art Rückkopplung oder sogar ein schwingendes Signal entsteht - und damit eine Art Kommunikation. Olivia Gerhard erklärt:
Wenn wir ein solches Signal messen und weiterverschalten könnten, wäre das ein erster Schritt hin zu einem lebenden, elektrischen Kommunikationsnetzwerk, das wir von außen steuern können - ähnlich wie ein lernfähiges System.
Was Olivia Gerhard, Jialan Cao-Riehmer, Michael Köhler und Martin Ziegler gemeinsam erforschen, ist derzeit noch absolute Grundlagenforschung. Aber sie haben eine Vision, erklärt Köhler:
Unsere Vision ist es, einfache biologische Zellen so zu koppeln, dass Sensorik und sogar Informationsverarbeitung möglich wird - und wir am Ende ein sich durch biochemische Prozesse erhaltenes System haben, ohne dass wir permanent Strom von außen anlegen müssen.
Was heute nach Zukunftsmusik klingt, könnte vielleicht schon bald die Grundlage für elektronische Systeme sein, die energieeffizient, flexibel und von lebenden Mikroorganismen mit Energie versorgt werden. Für Olivia ist genau das der Reiz ihrer Promotion in der Ilmenau School of Green Electronics:
Ich finde es unheimlich spannend, dass hier zwölf Promovierende in einem Großprojekt zusammenarbeiten, die aus ganz unterschiedlichen Bereichen kommen und ein gemeinsames Ziel haben, auch wenn die einzelnen Projekte sehr unterschiedlich sind: eine neue Art ,,grüner", nachhaltiger Elektronik zu entwickeln. Diese interdisziplinäre Forschung und die Möglichkeit, Einblicke in unterschiedlichste Verfahren und Technologien zu bekommen, ist unglaublich bereichernd.
