Teknik identificerer elektricitetsproducerende bakterier

At leve under ekstreme forhold kræver kreative tilpasninger. For visse arter af bakterier, der findes i iltfattige miljøer, det betyder at finde en måde at trække vejret på, der ikke involverer ilt. Disse hårdføre mikrober, som kan findes dybt inde i miner, på bunden af ​​søer, og endda i den menneskelige tarm, har udviklet en unik form for vejrtrækning, der involverer udskillelse og udpumpning af elektroner. Med andre ord, disse mikrober kan faktisk producere elektricitet.

Forskere og ingeniører udforsker måder at udnytte disse mikrobielle kraftværker til at drive brændselsceller og rense spildevand, blandt andre anvendelser. Men at fastlægge en mikrobes elektriske egenskaber har været en udfordring:Cellerne er meget mindre end pattedyrsceller og ekstremt vanskelige at dyrke under laboratorieforhold.

Nu har MIT-ingeniører udviklet en mikrofluidisk teknik, der hurtigt kan behandle små prøver af bakterier og måle en specifik egenskab, der er meget korreleret med bakteriers evne til at producere elektricitet. De siger, at denne ejendom, kendt som polariserbarhed, kan bruges til at vurdere en bakteries elektrokemiske aktivitet på et sikrere, mere effektiv måde sammenlignet med nuværende teknikker.

"Visionen er at udvælge de stærkeste kandidater til at udføre de ønskværdige opgaver, som mennesker ønsker, at cellerne skal udføre, " siger Qianru Wang, en postdoc i MIT's Department of Mechanical Engineering.

"Der er nyligt arbejde, der tyder på, at der kan være et meget bredere udvalg af bakterier, der har [elektricitetsproducerende] egenskaber, " tilføjer Cullen Buie, lektor i maskinteknik ved MIT. "Dermed, et værktøj, der giver dig mulighed for at undersøge disse organismer, kunne være meget vigtigere, end vi troede. Det er ikke kun en lille håndfuld mikrober, der kan gøre dette."

Buie og Wang har offentliggjort deres resultater i dag i Videnskabens fremskridt .

Bare mellem frøer

Bakterier, der producerer elektricitet, gør det ved at generere elektroner i deres celler, derefter overføre disse elektroner over deres cellemembraner via bittesmå kanaler dannet af overfladeproteiner, i en proces kendt som ekstracellulær elektronoverførsel, eller EET.

Eksisterende teknikker til at sondere bakteriers elektrokemiske aktivitet involverer dyrkning af store partier af celler og måling af aktiviteten af ​​EET-proteiner - en omhyggelig, tidskrævende proces. Andre teknikker kræver, at en celle sprænges for at oprense og sondere proteinerne. Buie ledte efter en hurtigere, mindre destruktiv metode til at vurdere bakteriers elektriske funktion.

I de sidste 10 år, hans gruppe har bygget mikrofluidchips ætset med små kanaler, hvorigennem de strømmer mikroliter-prøver af bakterier. Hver kanal klemmes i midten for at danne en timeglaskonfiguration. Når en spænding påføres over en kanal, den sammenklemte sektion - omkring 100 gange mindre end resten af ​​kanalen - sætter et klem på det elektriske felt, hvilket gør det 100 gange stærkere end det omgivende felt. Gradienten af ​​det elektriske felt skaber et fænomen kendt som dielektroforese, eller en kraft, der skubber cellen mod dens bevægelse induceret af det elektriske felt. Som resultat, dielektroforese kan afvise en partikel eller stoppe den i dens spor ved forskellige påførte spændinger, afhængigt af den partikels overfladeegenskaber.

Forskere inklusive Buie har brugt dielektroforese til hurtigt at sortere bakterier efter generelle egenskaber, såsom størrelse og art. Denne gang, Buie spekulerede på, om teknikken kunne udelukke bakteriers elektrokemiske aktivitet - en langt mere subtil egenskab.

"I bund og grund, folk brugte dielektroforese til at adskille bakterier, der var så forskellige som, sige, en frø fra en fugl, mens vi forsøger at skelne mellem frøsøskende - mindre forskelle, " siger Wang.

En elektrisk sammenhæng

I deres nye undersøgelse, forskerne brugte deres mikrofluidiske opsætning til at sammenligne forskellige stammer af bakterier, hver med en forskellig, kendt elektrokemisk aktivitet. Stammerne omfattede en "vildtype" eller naturlig bakteriestamme, der aktivt producerer elektricitet i mikrobielle brændselsceller, og flere stammer, som forskerne havde gensplejset. Generelt, holdet havde til formål at se, om der var en sammenhæng mellem en bakteries elektriske evne, og hvordan den opfører sig i en mikrofluidisk enhed under en dielektroforetisk kraft.

Holdet flød meget lille, mikroliterprøver af hver bakteriestamme gennem den timeglasformede mikrofluidkanal og forstærkede langsomt spændingen over kanalen, en volt i sekundet, fra 0 til 80 volt. Gennem en billeddannelsesteknik kendt som partikelbilledhastighed, de observerede, at det resulterende elektriske felt drev bakterieceller gennem kanalen, indtil de nærmede sig den klemte sektion, hvor det meget stærkere felt virkede til at presse bakterierne tilbage via dielektroforese og fange dem på plads.

Nogle bakterier blev fanget ved lavere påførte spændinger, og andre ved højere spændinger. Wang noterede sig "fangespændingen" for hver bakteriecelle, målte deres cellestørrelser, og brugte derefter en computersimulering til at beregne en celles polariserbarhed – hvor let det er for en celle at danne elektriske dipoler som reaktion på et eksternt elektrisk felt.

Ud fra hendes beregninger, Wang opdagede, at bakterier, der var mere elektrokemisk aktive, havde en tendens til at have en højere polariserbarhed. Hun observerede denne sammenhæng på tværs af alle arter af bakterier, som gruppen testede.

"Vi har de nødvendige beviser for at se, at der er en stærk sammenhæng mellem polariserbarhed og elektrokemisk aktivitet, " siger Wang. "Faktisk, polariserbarhed kan være noget, vi kunne bruge som en proxy til at udvælge mikroorganismer med høj elektrokemisk aktivitet."

Wang siger, at i det mindste for de belastninger, de målte, forskere kan måle deres elproduktion ved at måle deres polariserbarhed - noget som gruppen nemt kan, effektivt, og sporer ikke destruktivt ved hjælp af deres mikrofluidiske teknik.

Samarbejdspartnere på holdet bruger i øjeblikket metoden til at teste nye stammer af bakterier, der for nylig er blevet identificeret som potentielle elproducenter.

"Hvis den samme tendens med korrelation står for de nyere stammer, så kan denne teknik have en bredere anvendelse, i ren energiproduktion, bioremediering, og produktion af biobrændstoffer, " siger Wang.