Electrical wires in nature: A study of the conductive structure and intrinsic electrical properties of cable bacteria

Abstract

In 2020, a world without electronics is almost unthinkable, with electrical circuits being inseparable from our jobs, finance, and leisure. Nevertheless, the created prosperity came with a cost: at the pace we are consuming electronics, the global amount of electronic waste or e-waste that is not recycled grows yearly by 40 million tons. This not only has far-going ecological consequences on the long run, but directly affects the health of children and adults working in recycling centers in developing countries, including decreased lung function, spontaneous abortions, and DNA damage. With the global demand for electronic devices far from decreasing, the need for alternatives like biodegradable electronics is evident and recent attention was drawn to organic polymers and biomaterials like proteins, peptides, and even bacteria. A few years ago, a bacterium was discovered at the coast of Denmark that is thought to transport electrical currents over centimeter distances (Chapter 1). This filamentous organism is made of a chain of tens of thousands of cells that work together to stay alive. The bacterium thrives in the sediment where it vertically stretches out to reach both its fundamental nutrients: sulfide in the deep sediment and oxygen at the top. While the bottom cells oxidize sulfide and extract electrons from the environment, the top cells reduce oxygen, which requires electrons. This has led to the assumption that cable bacteria contain centimeter long electrical conductors that allow sending electrons from bottom to top. If cable bacteria can transport this type of long range electrical signals, they could change our understanding of electron transport in nature and make them an interesting candidate for bioelectronic purposes. The research presented in this thesis aims to disclose the electrical and structural properties of cable bacteria. As a first step, we investigated whether cable bacteria can conduct electricity by isolating single filaments from their natural sediment and introducing them to a probe stage setup for electrical measurements (Chapter 2). When applying a potential between the two ends of the bacterium, a current flows through the filament, showing it to contain an intrinsically conductive structure. This conduction maintained for several weeks in a vacuum environment, proving the conduction to be electronic rather than ionic. Extracting different lengths of filaments showed that electron transport is possible over 1 centimeter or a 1000x larger distance than known before to occur in a single biological structure. So what structure is behind this conduction? Earlier structural studies on cable bacteria found a stack of 10 to 60 fibers running parallel just under the surface of the bacterium, which were thought to be the conductive structures in cable bacteria. To test this hypothesis, the conduction of cable bacterium filaments was studied microscopically in a conductive atomic force microscope (C-AFM) (Chapter 3). The AFM tip was used as an electrical probe to search for the conductive structures in the filament. Scratching away the top layer of the filament uncovered parallel conductive lines on the bacteria: the 50 nm diameter fibers indeed guide the electrical currents. Moreover, from experiments where these fibers were cut at specific spots, it was found that they are interconnected at the junctions between two cells. This feature happens to create a fail-safeness in the structure since current can keep on flowing in the case of a defect. When combining the macroscopic current results with the knowledge of the microscopic structure, the conductivity for cable bacteria can be calculated. We find values exceeding 10 S/cm, which is in the range of nanowires in organic electronics. To find out more about the intrinsic electrical properties of the filaments, we performed direct current (DC), impedance (AC), and field-effect transistor (FET) measurements on dry filaments and extracted sheaths holding the conductive fibers (Chapter 4). From an electrical equivalent circuit analysis, we found out that the conductive structures of cable bacteria can be treated as plain resistors. Under the influence of an externally applied electric field, the conduction is found to be n-type and tunable and shows electron mobility in the order of 10-1 cm²/Vs, again comparable to organic conductors. The same characteristics were studied in a temperature-dependent setup to find that the conductivity and mobility are intrinsically thermally activated with low activation energies in the order of 30 to 50 meV. From the results shown in this thesis, it is clear that cable bacteria can conduct electricity, with structural and electrical characteristics that are remarkable when compared to other biological conductors. The unique fail-safe structure and high mobility values make them a fascinating candidate for bioelectronics but also gives insight into the in vivo properties of these filaments and their ecological influence on their environment (Chapter 5). Further research on the fundamental electron transport mechanism and their application in for instance fuel cell setups will be crucial for a better understanding of cable bacteria and biological electron transport in general. This will help us towards the first applications of cable bacteria as interconnectors or transistors in bioelectronics. Maybe cable bacteria could become the first biological long-range interconnectors towards a reduction of global e-waste. Samenvatting (NL)

Een wereld zonder elektronica is in 2020 bijna ondenkbaar. Elektrische circuits zijn onlosmakelijk verbonden met onze jobs, financiën en vrije tijd. Niettemin kwam deze welvaart met een kost: aan de snelheid dat we elektronica consumeren groeit de globale hoeveelheid elektronisch afval (of e-waste) met 40 miljoen ton per jaar. Dit heeft niet alleen verregaande ecologische gevolgen op lange termijn, maar tast de gezondheid aan van kinderen en volwassenen in recyclagecentra in ontwikkelingslanden. Ze lijden onder een afnemende longfunctie, spontane abortussen en DNA schade. Met een globale vraag naar elektronica die alleen maar toeneemt, groeit ook de noodzaak voor alternatieven zoals biodegradeerbare elektronica. Zo kwamen recentelijk nieuwe materialen onder de aandacht zoals organische polymeren en biomaterialen zoals proteïnen, peptiden en zelfs bacteriën. Enkele jaren geleden werd een bacterie ontdekt aan de kust van Denemarken waarvan gedacht wordt dat ze elektrische stromen kan geleiden over centimeter afstanden (Hoofdstuk 1). Dit draadvormige organisme is een ketting van zo’n 10.000 cellen achter elkaar die samenwerken om in leven te blijven. In het sediment van de kust sterkt het zich verticaal uit tussen zijn twee basisvoedingsstoffen: sulfide en zuurstof. Terwijl de onderste cellen de sulfide diep in het sediment oxideren en elektronen doen vrijkomen, reduceren de bovenste cellen de zuurstof in het water, waarvoor elektronen nodig zijn. Hierdoor ontstond de veronderstelling dat deze bacteriedraadjes centimeter lange elektrisch geleidende structuren dragen die elektronen van beneden naar boven kunnen sturen. Men noemde het ‘kabelbacteriën’. Als kabelbacteriën deze elektrische signalen over lange afstanden kunnen verzenden, zouden ze ons begrip van elektronentransport in de natuur helemaal kunnen veranderen en bovendien een potentiële kandidaat worden voor bioelektronica. In het onderzoek dat in deze thesis wordt voorgesteld exploreren we de elektrische en structurele eigenschappen van kabelbacteriën. In een eerste stap onderzochten we of kabelbacteriën elektriciteit kunnen geleiden door aparte draadjes uit hun natuurlijke omgeving te halen en hen te gebruiken in een probe stage setup voor elektrische metingen (Hoofdstuk 2). Wanneer we een potentiaal aanleggen tussen de twee uiteinden van de bacterie, vloeit er een elektrische stroom door, wat aantoont dat het organisme een intrinsiek geleidende structuur moet bevatten. Deze stroom bleef constant in vacuüm voor enkele weken, wat wijst op een geleiding die elektronisch in plaats van ionisch van aard is. Door dit te testen voor verschillende lengtes van bacteriën vonden we dat elektron transport mogelijk was over 1 centimeter, oftewel 1000 x langer dan eender welke tot dan toe gekende elektrische geleiding in een enkele biologische structuur. Maar welke structuur zit achter deze geleiding? Uit eerdere studies vond men dat kabelbacteriën 10 tot 60 nanoscopische vezels heeft die parallel aan de buitenkant net onder het oppervlak van het draadje zitten, waarvan gedacht werd dat deze de elektrisch geleidende structuren zijn. Om deze hypothese te testen werd de geleiding door kabelbacteriën microscopisch bestudeerd in een geleidende atoomkrachtmicroscoop (C-AFM) (Hoofdstuk 3). De naald van de AFM werd gebruikt als elektrische sonde om de geleidende structuur op te sporen aan de bovenkant van de bacterie. Wanneer de buitenste laag van de bacterie werd weggekrast, waren parallel geleidende lijnen te zien die precies overeen kwamen met de 50 nanometer diameter vezeltjes. Wanneer bovendien deze vezels op bepaalde plaatsen werden doorgeknipt, bleef de geleiding doorlopen, wat erop wees dat de vezels met elkaar verbonden zijn op de aansluiting tussen twee cellen. Deze eigenschap creëert een extra zekering in de bacteriën die stroom nog steeds kan laten lopen in het geval van een defect. Wanneer we de macroscopische resultaten combineren met de kennis van de microscopische structuur, kan de conductiviteit worden berekend. We vinden waarden boven de 10 S/cm, in dezelfde grootteorde als nanovezels uit de organische elektronica. Om meer te weten te komen over de intrinsieke elektrische eigenschappen van deze draadjes, voerden we gelijkstroom (DC), wisselstroom (AC) en veld-effect transistormetingen (FET) uit op de gedroogde bacteriën en de geëxtraheerde mantels die de geleidende structuren bevatten (Hoofdstuk 4). Aan de hand van het elektrisch equivalente circuit vonden we dat we de draadjes mogen beschouwen als gewone weerstanden. Onder de invloed van een extern aangelegd elektrisch veld vonden we dat de geleiding n-type en verstelbaar is. We vonden mobiliteitswaarden voor de elektronen in de orde van 10-1 cm²/Vs, opnieuw vergelijkbaar met organische geleiders. Dezelfde eigenschappen werden bestudeerd in een temperatuursafhankelijke opstelling. De conductiviteit en mobiliteit bleken intrinsiek thermisch geactiveerd met een lage activatie-energie in de orde van 30 tot 50 meV. Uit de resultaten voorgesteld in deze thesis is het duidelijk dat kabelbacteriën stroom kunnen geleiden met elektrische en structurele eigenschappen die opmerkelijk zijn vergeleken met andere biologische geleiders. De unieke elektrische structuur en hoge waardes voor de conductiviteit en mobiliteit maken kabelbacteriën een fascinerende kandidaat als interconnector of transistor in bioelektronica. Daarbuiten geeft het ook meer inzicht in de in vivo eigenschappen van de bacteriën en hun ecologische rol in hun omgeving (Hoofdstuk 5). Verder onderzoek over het fundamentele elektron transport mechanisme en toepassingen in bijvoorbeeld een brandstofcel set-up zullen cruciaal zijn om een beter begrip te verkrijgen van kabelbacteriën en biologisch elektron transport in het algemeen. Dit kan een eerste stap zijn in de toepassing van een kabelbacterie als interconnector of transistor in bioelektronica. Op die manier zouden kabelbacteriën de eerste biologische lange-afstandsgeleiders kunnen worden in de globale strijd tegen e-waste.