Onderzoekers ontdekken elektriciteit in menselijke darmen

Bacteriën die elektriciteit produceren zijn niets nieuws. Ze zijn al gevonden in omgevingen als mijnen, grotten en bodems van meren. Toch hebben wetenschappers elektrogene bacteriën dichterbij huis lange tijd over het hoofd gezien: de menselijke darmen.

Wetenschappers van de University of California ontdekten dat een veel voorkomende, diarreeveroorzakende bacterie – genaamd listeria monocytogenes – de bron is van deze elektriciteit. Het doet dit via een geheel andere techniek dan bekendere elektrogene bacteriën en blijkt hierin niet de enige te zijn: honderden bacteriesoorten gebruiken eenzelfde soort proces, zo schrijven de wetenschappers. Hun onderzoek wordt binnenkort gepubliceerd in het tijdschrift Nature, maar een digitale versie is al online verschenen.

Ziekteverwekkers en ‘goedaardige’ elektrogene bacteriën

Veel van deze nieuw ontdekte elektrogene bacteriën maken deel uit van de menselijke darmflora. De meeste kunnen ziekten verwekken, waaronder gangreen (clostridium perfringens) en ziekenhuisinfecties (enterococcus faecalis). Er blijken echter ook ‘goedaardige’ elektrogene bacteriën te bestaan, zoals probiotica. Deze dragen bij aan een gezonde werking van de darmen en zitten vooral in yoghurt of melkdrankjes.

“Het feit dat zoveel bacteriën elektrogeen zijn en interactie hebben met mensen was eerder gemist”, zegt professor Dan Portnoy. “Het kan ons veel vertellen over hoe deze bacteriën ons infecteren of juist helpen bij het gezond houden van de darmen.”

Ademen van ijzer en mangaan

Bacteriën genereren elektriciteit om dezelfde reden dat mensen zuurstof inademen: elektronen verwijderen die tijdens het metabolisme worden geproduceerd en de energieproductie ondersteunen. Terwijl dieren en planten hun elektronen overbrengen naar zuurstof, moeten bacteriën in omgevingen zonder zuurstof een andere elektronenacceptor vinden. In geologische omgevingen is dat vaak een mineraal, zoals ijzer of mangaan. In zekere zin ‘ademen’ deze bacteriën dus mineralen.

Het overbrengen van elektronen vanuit de cel naar een mineraal vereist een aaneenschakeling van speciale chemische reacties. Deze keten draagt de elektronen in de vorm van lichte elektrische stroom. Sommige wetenschappers hebben dit proces benut om een batterij te maken: steek een elektrode in een flesje van deze bacteriën en je kunt elektriciteit opwekken. Het nieuw ontdekte systeem is echter eenvoudiger en lijkt door bacteriën alleen te worden gebruikt wanneer dat nodig is, bijvoorbeeld wanneer het zuurstofniveau laag is.

Overleven in zuurstofarme omgevingen

“Het lijkt erop dat de celstructuur van deze bacteriën en de vitaminerijke, ecologische niche die ze innemen, het eenvoudiger maakt om elektronen uit een cel te transporteren”, zegt hoofdauteur Sam Light. “We denken dat de reeds bekende, mineraal-ademende bacteriën het proces gebruiken omdat het cruciaal is voor overleving, terwijl deze nieuw geïdentificeerde bacteriën het gebruiken omdat het ‘gemakkelijk’ is.”

“Dit is een belangrijk deel van de fysiologie van bacteriën waarvan mensen niet wisten dat ze bestond”, zegt Light. Light en Portnoy vragen zich nog af hoe en waarom deze bacteriën zo’n uniek systeem hebben ontwikkeld. Een waarschijnlijk antwoord is dat deze methode de bacteriën in staat stelt te overleven in zowel zuurstofrijke als zuurstofarme omgevingen.

De ontdekking is goed nieuws voor wetenschappers die levende batterijen proberen te maken van microben. Dergelijke ‘groene’ bio-energetische technologieën kunnen bijvoorbeeld elektriciteit opwekken uit bacteriën in afvalverwerkingsinstallaties.