Leven in extreme omstandigheden vraagt ​​om creatieve aanpassingen. Voor bepaalde soorten bacteriën die voorkomen in zuurstofarme omgevingen, dit betekent het vinden van een manier om te ademen zonder zuurstof. Deze winterharde microben, die diep in mijnen te vinden zijn, op de bodem van meren, en zelfs in de menselijke darm, hebben een unieke vorm van ademen ontwikkeld waarbij elektronen worden uitgescheiden en weggepompt. Met andere woorden, deze microben kunnen daadwerkelijk elektriciteit produceren.

Wetenschappers en ingenieurs onderzoeken manieren om deze microbiële energiecentrales te gebruiken om brandstofcellen te laten werken en rioolwater te zuiveren, onder andere gebruik. Maar het vaststellen van de elektrische eigenschappen van een microbe was een uitdaging:de cellen zijn veel kleiner dan zoogdiercellen en extreem moeilijk om te groeien in laboratoriumomstandigheden.

Nu hebben MIT-ingenieurs een microfluïdische techniek ontwikkeld die snel kleine bacteriemonsters kan verwerken en een specifieke eigenschap kan meten die sterk gecorreleerd is met het vermogen van bacteriën om elektriciteit te produceren. Ze zeggen dat dit pand, bekend als polariseerbaarheid, kan worden gebruikt om de elektrochemische activiteit van een bacterie op een veiligere, efficiëntere manier in vergelijking met de huidige technieken.

"De visie is om die sterkste kandidaten uit te kiezen om de gewenste taken uit te voeren die mensen willen dat de cellen doen, " zegt Qianru Wang, een postdoc bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT.

"Er is recent werk dat suggereert dat er een veel breder scala aan bacteriën is die [elektriciteitsproducerende] eigenschappen hebben, " voegt Cullen Buie toe, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT. "Dus, een tool waarmee je die organismen kunt onderzoeken, zou veel belangrijker kunnen zijn dan we dachten. Het is niet slechts een handjevol microben die dit kunnen."

Buie en Wang hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Gewoon tussen kikkers

Bacteriën die elektriciteit produceren, doen dit door elektronen in hun cellen te genereren, vervolgens die elektronen over hun celmembranen overbrengen via kleine kanaaltjes gevormd door oppervlakte-eiwitten, in een proces dat bekend staat als extracellulaire elektronenoverdracht, of EET.

Bestaande technieken om de elektrochemische activiteit van bacteriën te onderzoeken, omvatten het kweken van grote hoeveelheden cellen en het meten van de activiteit van EET-eiwitten - een nauwgezette, tijdrovend proces. Andere technieken vereisen het scheuren van een cel om de eiwitten te zuiveren en te onderzoeken. Buie zocht een snellere, minder destructieve methode om de elektrische functie van bacteriën te beoordelen.

De afgelopen 10 jaar, zijn groep heeft microfluïdische chips gebouwd die zijn geëtst met kleine kanalen, waardoor ze microlitermonsters van bacteriën stromen. Elk kanaal is in het midden geknepen om een ​​zandloperconfiguratie te vormen. Wanneer een spanning over een kanaal wordt aangelegd, het afgeknepen gedeelte - ongeveer 100 keer kleiner dan de rest van het kanaal - drukt op het elektrische veld, waardoor het 100 keer sterker is dan het omringende veld. De gradiënt van het elektrische veld creëert een fenomeen dat bekend staat als diëlektroforese, of een kracht die de cel tegen zijn beweging duwt die door het elektrische veld wordt veroorzaakt. Als resultaat, diëlektroforese kan een deeltje afstoten of stoppen in zijn sporen bij verschillende aangelegde spanningen, afhankelijk van de oppervlakte-eigenschappen van dat deeltje.

Onderzoekers, waaronder Buie, hebben diëlektroforese gebruikt om bacteriën snel te sorteren op algemene eigenschappen, zoals grootte en soort. Deze keer, Buie vroeg zich af of de techniek de elektrochemische activiteit van bacteriën zou kunnen bepalen - een veel subtielere eigenschap.

"In principe, mensen gebruikten diëlektroforese om bacteriën te scheiden die zo verschillend waren als, zeggen, een kikker van een vogel, terwijl we proberen onderscheid te maken tussen kikkerbroers en -zussen - kleinere verschillen, "zegt Wang.

Een elektrische correlatie

In hun nieuwe studie de onderzoekers gebruikten hun microfluïdische opstelling om verschillende bacteriestammen te vergelijken, elk met een andere, bekende elektrochemische activiteit. De stammen omvatten een "wildtype" of natuurlijke bacteriestam die actief elektriciteit produceert in microbiële brandstofcellen, en verschillende stammen die de onderzoekers genetisch hadden gemanipuleerd. In het algemeen, het team wilde zien of er een verband was tussen het elektrische vermogen van een bacterie en hoe het zich gedraagt ​​in een microfluïdisch apparaat onder een diëlektroforetische kracht.

Het team stroomde erg klein, microlitermonsters van elke bacteriestam door het zandlopervormige microfluïdische kanaal en langzaam de spanning over het kanaal verhoogd, één volt per seconde, van 0 tot 80 volt. Via een beeldvormingstechniek die bekend staat als deeltjesbeeldsnelheidsmeting, ze merkten op dat het resulterende elektrische veld bacteriële cellen door het kanaal voortstuwde totdat ze het samengeknepen gedeelte naderden, waar het veel sterkere veld de bacteriën terugduwde via diëlektroforese en ze op hun plaats hield.

Sommige bacteriën werden gevangen bij lagere aangelegde spanningen, en andere bij hogere spanningen. Wang nam nota van de "vangspanning" voor elke bacteriële cel, hun celgroottes gemeten, en gebruikten vervolgens een computersimulatie om de polariseerbaarheid van een cel te berekenen - hoe gemakkelijk het voor een cel is om elektrische dipolen te vormen als reactie op een extern elektrisch veld.

Uit haar berekeningen Wang ontdekte dat bacteriën die meer elektrochemisch actief waren, een hogere polariseerbaarheid hadden. Ze observeerde deze correlatie tussen alle soorten bacteriën die de groep testte.

"We hebben het nodige bewijs om te zien dat er een sterke correlatie is tussen polariseerbaarheid en elektrochemische activiteit, ", zegt Wang. "In feite, polariseerbaarheid zou iets kunnen zijn dat we zouden kunnen gebruiken als een proxy om micro-organismen met een hoge elektrochemische activiteit te selecteren."

Wang zegt dat tenminste voor de spanningen die ze hebben gemeten, onderzoekers kunnen hun elektriciteitsproductie meten door hun polariseerbaarheid te meten - iets dat de groep gemakkelijk kan, efficiënt, en niet-destructief volgen met behulp van hun microfluïdische techniek.

Medewerkers van het team gebruiken de methode momenteel om nieuwe bacteriestammen te testen die onlangs zijn geïdentificeerd als potentiële elektriciteitsproducenten.

"Als dezelfde trend van correlatie geldt voor die nieuwere stammen, dan kan deze techniek een bredere toepassing hebben, bij de opwekking van schone energie, bioremediatie, en de productie van biobrandstoffen, "zegt Wang.