Viren als Stromerzeuger

Das untere 3D-Bild eines Rasterkraftmikrops zeigt, dass sich die Viren von selbst Seite an Seite legen. Das obere Bild zeigt die piezoelektrischen Eigenschaften der Mantel-Proteine, hellere Farbe weist auf höhere Spannung hin. Bild: Seung-Wuk Lee/Department of Energy

US-Wissenschaftler haben mit genveränderten Viren einen Generator entwickelt, der Strom durch Druck produziert

Eine interessante, möglicherweise irgendwann in der Zukunft nutzbare Stromquelle für mobile Geräte haben Wissenschaftler vom Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums entdeckt: Viren, die durch mechanischen Druck Strom erzeugen. Sie haben mit einem Film aus für Menschen harmlosen Viren einen Generator gebaut, der durch den Druck eines Fingers auf eine mit Viren bedeckte Elektrode zumindest schon einmal so viel Strom lieferte, dass damit ein kleiner Flüssigkristallbildschirm betrieben werden konnte.

Damit ist es erstmals gelungen, wie die Wissenschaftler sagen, Strom aus den "piezoelektrischen Eigenschaften eines biologischen Materials" zu erzeugen. Damit hätte man nicht nur eine billige, reichlich vorhandene und erneuerbare Energiequelle, sondern auch die Möglichkeit, aus allen denkbaren Druckbewegungen oder Vibrationen wie beim Gehen, beim Öffnen oder Schließen von Türen, vielleicht auch schon beim Tippen auf einer Computertastatur Strom zu erzeugen.

Für die Wissenschaftler, die über ihre Forschung in der Zeitschrift Nature Nanotechnology berichten, könnten Viren neben der Erzeugung von Strom auch die Möglichkeit anbieten, besser als mit Nanotechnik mikroelektronische Geräte herzustellen. Viren würden sich selbst zu einem geordneten Film anordnen, mit dem Generator funktioniert. In der Nanotechnik sei eine solche Selbstorganisation erst noch ein Ziel. Die bislang verwendeten Materialien, die zur Ausbeutung des piezoekelektrischen Effekts genutzt werden, sind meist giftig, auch das spricht für die Viren.

Die Grafik veranschaulicht, wie sich die M13-Viren aneinander legen und dadurch einen piezoelektrischen Viren-Film produzieren. Aus einem Video der Wissenschaftler.

Verwendet haben Wissenschaftler Bakteriophagen des Typs M13, deren Wirt E. coli-Bakterien sind. Menschen gegenüber richten sie keinen Schaden an. Dafür haben sie den Vorteil, dass sich die stäbchenförmigen, 880 Nanometer langen und 6.6 nm dicken Viren rasant schnell in Bakterien replizieren und sich, wenn es sie in großen Mengen gibt, zu einem geordneten Film formieren. Zudem können sie leicht genetisch verändert werden. Bedeckt werden sie großenteils von etwa 2.700 Mantel-Proteinen mit einem Dipol. Um die elektrischen Eigenschaften der Viren zu testen, leiteten die Wissenschaftler auf einen nano-dünnen Film von Viren mit einem Piezokraftmikroskop Strom und konnten beobachten, dass sich die Mantel-Proteine in Reaktion darauf bewegten und drehten. Das bestätigte die piezoleketrischen Eigenschaften der Viren.

Durch den Druck des Fingers erzeugt der Viren-Generator Strom, mit dem auf dem Bildschirm eine 1 dargestellt werden kann. Aus einem Video der Wissenschaftler.

. Um den Effekt zu stärken, fügten die Forscher mittels Gentechnik am negativen Dipol-Ende der Mantel-Proteine 1-4 negativ geladene Aminosäuren hinzu. Das erhöhte tatsächlich die elektrische Spannung der Viren. Um den Effekt weiter zu erhöhen, legten sie Filme, die aus einzelnen Virenschichten bestanden, übereinander. Die stärkste piezoelektrische Wirkung beobachteten sie bei 20 übereinander liegenden Schichten von Viren mit vier zusätzlichen negativen Aminosäuren.

Für den Bau des biologischen piezoelektrischen Generators brachten sie mehrere Schichten der genveränderten Bakterien in einer Größe von einem Quadratzentimeter zwischen zwei vergoldete Elektroden, die mit einem kleinen Flüssigkristallbildschirm verbunden waren. Wenn auf den Virengenerator Druck ausgeübt wird, erzeugt dieser bis zu sechs Nanoampere an Stromstärke und bis zu 400 Millivolt an Spannung. Die Stromstärke reichte aus, um die Zahl 1 durch Fingerdruck im Abstand von jeweils 6 Sekunden kurz auf dem Bildschirm aufleuchten zu lassen, die elektrische Spannung entspricht immerhin einem Viertel der Ladung einer 1,5-Volt-Batterie. Werden mehrere Generatoren geleichzeitig verwendet, erhöht dies die Stromerzeugung.

Interessant ist, dass sich die Viren-Generatoren nicht nur zur Stromerzeugung, sondern auch vielleicht umgekehrt als Speichermedium verwenden lassen könnten, sagen die Wissenschaftler. Ungeklärt ist freilich, zumindest wird davon nicht gesprochen, wie belastbar und andauernd die Viren Strom erzeugen können, also wie oft man neue Virenfilme einlegen muss. Ob tatsächlich einmal Anwendungen möglich sein werden, beispielsweise Virengeneratoren in Schuhe legen und beim Gehen das Handy aufladen zu können, wie in der Pressemitteilung suggeriert wird, lässt sich aufgrund der Ergebnisse der Studie noch nicht beantworten. Zudem weisen die Wissenschaftler darauf hin, dass auch die piezoelektrischen Vorgänge bei Biomaterialien auf molekularer Ebene noch nicht geklärt sind. Das Verhalten würde nicht den klassischen Theorien entsprechen, die auf der Grundlage von ganz anders gearteten kristallinen Strukturen gebildet wurden. (Florian Rötzer)