Ученые и инженеры изучают способы использования этих микробных электростанций для работы топливных элементов и очистки сточных вод, среди прочего. Но определить электрические свойства микроба было непросто: клетки намного меньше, чем клетки млекопитающих, и их чрезвычайно трудно выращивать в лабораторных условиях.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали микрожидкостную технику, с помощью которой можно быстро обрабатывать небольшие образцы бактерий и определять определенные свойства, которые сильно коррелируют со способностью бактерий вырабатывать электричество. Они говорят, что это свойство, известное как поляризуемость, можно использовать для оценки электрохимической активности бактерий более безопасным и эффективным способом по сравнению с существующими методами.
«Видение состоит в том, чтобы выбрать самых сильных кандидатов для выполнения желаемых задач, которые люди хотят, чтобы выполняли клетки», – говорит Цяньру Ван, постдок из отдела машиностроения Массачусетского технологического института.
«Недавняя работа предполагает, что может существовать гораздо более широкий спектр бактерий, обладающих [производящими электричество] свойствами», – добавляет Каллен Буйе, доцент кафедры машиностроения в Массачусетском технологическом институте. "Таким образом, инструмент, позволяющий исследовать эти организмы, может оказаться гораздо более важным, чем мы думали. Это не просто горстка микробов."
Буйе и Ван опубликовали свои результаты сегодня в Science Advances.
Просто между лягушками
Бактерии, которые производят электричество, производят электроны внутри своих клеток, а затем переносят эти электроны через клеточные мембраны через крошечные каналы, образованные поверхностными белками, в процессе, известном как внеклеточный перенос электронов, или EET.
Существующие методы исследования электрохимической активности бактерий включают выращивание больших партий клеток и измерение активности белков EET – кропотливый и трудоемкий процесс. Другие методы требуют разрыва клетки, чтобы очистить и исследовать белки.
Буйе искал более быстрый и менее разрушительный метод оценки электрической функции бактерий.
В течение последних 10 лет его группа создавала микрожидкостные чипы с небольшими каналами, через которые они пропускают микролитровые образцы бактерий. Каждый канал зажат посередине, чтобы сформировать конфигурацию песочных часов. Когда на канал подается напряжение, защемленная часть – примерно в 100 раз меньше, чем остальная часть канала – сжимает электрическое поле, делая его в 100 раз сильнее, чем окружающее поле.
Градиент электрического поля создает явление, известное как диэлектрофорез, или силу, которая толкает клетку против ее движения, вызванного электрическим полем. В результате диэлектрофорез может отталкивать частицу или останавливать ее на своем пути при различных приложенных напряжениях, в зависимости от свойств поверхности частицы.
Исследователи, включая Буйе, использовали диэлектрофорез для быстрой сортировки бактерий по общим свойствам, таким как размер и вид. На этот раз Буйе задался вопросом, сможет ли этот метод выявить электрохимическую активность бактерий – гораздо более тонкое свойство.
«По сути, люди использовали диэлектрофорез, чтобы отделить бактерии, которые были такими же разными, как, скажем, лягушка от птицы, в то время как мы пытаемся различать братьев и сестер лягушек – различия мельчайшие», – говорит Ван.
Электрическая корреляция
В своем новом исследовании исследователи использовали свою микрофлюидную установку для сравнения различных штаммов бактерий, каждый с разной известной электрохимической активностью. Штаммы включали «дикий тип» или естественный штамм бактерий, которые активно вырабатывают электричество в микробных топливных элементах, и несколько штаммов, которые исследователи создали с помощью генной инженерии.
В целом, команда стремилась выяснить, существует ли корреляция между электрическими способностями бактерий и тем, как они ведут себя в микрофлюидном устройстве под действием диэлектрофоретической силы.
Команда пропустила очень маленькие микролитровые образцы каждого штамма бактерий через микрофлюидный канал в форме песочных часов и медленно подняла напряжение на канале со скоростью один вольт в секунду от 0 до 80 вольт.
С помощью метода визуализации, известного как велосиметрия изображения частиц, они наблюдали, что возникающее электрическое поле продвигало бактериальные клетки через канал, пока они не приближались к защемленной части, где гораздо более сильное поле действовало, отталкивая бактерии через диэлектрофорез и удерживая их на месте.
Некоторые бактерии были пойманы при более низком приложенном напряжении, а другие – при более высоком. Ван обратил внимание на «улавливающее напряжение» для каждой бактериальной клетки, измерил размеры их клеток, а затем с помощью компьютерного моделирования вычислил поляризуемость клетки – насколько легко клетке образовывать электрические диполи в ответ на внешнее электрическое поле.
Из своих расчетов Ван обнаружила, что бактерии, которые были более электрохимически активными, имели тенденцию иметь более высокую поляризуемость. Она наблюдала эту корреляцию между всеми видами бактерий, которые тестировала группа.
«У нас есть необходимые доказательства того, что существует сильная корреляция между поляризуемостью и электрохимической активностью», – говорит Ван. "Фактически, поляризуемость может быть чем-то, что мы могли бы использовать в качестве прокси для выбора микроорганизмов с высокой электрохимической активностью."
Ван говорит, что, по крайней мере, для измеренных деформаций, исследователи могут измерить выработку электроэнергии, измерив их поляризуемость – то, что группа может легко, эффективно и неразрушающе отслеживать, используя свой микрожидкостный метод.
В настоящее время сотрудники команды используют этот метод для тестирования новых штаммов бактерий, которые недавно были определены как потенциальные производители электроэнергии.
«Если та же тенденция корреляции относится к новым штаммам, то этот метод может найти более широкое применение в производстве чистой энергии, биоремедиации и производстве биотоплива», – говорит Ван.
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом и Институтом совместных биотехнологий за счет гранта U.S. Армия.