Жизнь в экстремальных условиях требует творческой адаптации. Для некоторых видов бактерий, живущих в среде с недостатком кислорода, это означает поиск способа дышать без участия кислорода. Эти выносливые микробы, которых можно найти глубоко в шахтах, на дне озер и даже в человеческом кишечнике, развили уникальную форму дыхания, которая включает выделение и откачивание электронов. Другими словами, эти микробы действительно могут производить электричество.
Ученые и инженеры изучают способы использования этих микробных электростанций для работы топливных элементов и очистки сточных вод, среди прочего. Но точное определение электрических свойств микроба оказалось непростой задачей: клетки намного меньше, чем клетки млекопитающих, и их крайне сложно выращивать в лабораторных условиях.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали микрожидкостную технику, которая может быстро обрабатывать небольшие образцы бактерий и измерять специфическое свойство, тесно связанное со способностью бактерий производить электричество. Они говорят, что это свойство, известное как поляризуемость, можно использовать для оценки электрохимической активности бактерий более безопасным и эффективным способом по сравнению с современными методами.
«Идея состоит в том, чтобы выбрать самых сильных кандидатов для выполнения желательных задач, которые люди хотят, чтобы клетки выполняли», - говорит Цяньру Ван, постдоктор кафедры 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 Массачусетского технологического института. «Таким образом, инструмент, позволяющий исследовать эти организмы, может быть гораздо важнее, чем мы думали. На это способна не просто горстка микробов».
Buie и Wang опубликовали сегодня свои результаты в журнале Science Advances.
Просто между лягушками
Бактерии, которые производят электричество, делают это, генерируя электроны внутри своих клеток, а затем переносят эти электроны через свои 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 для очистки и исследования белков. Бьюи искал более быстрый и менее разрушительный метод для оценки электрической функции бактерий.
В течение последних 10 лет его группа занимается созданием микрожидкостных чипов с небольшими каналами, через которые они пропускают микролитровые образцы бактерий. Каждый канал сжат посередине, образуя конфигурацию песочных часов. Когда к каналу приложено напряжение, защемленная часть - примерно в 100 раз меньшая, 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, толкающую клетку против ее движения, вызванного электрическим полем. В результате диэлектрофорез может оттолкнуть частицу или остановить ее на своем пути при различных приложенных напряжениях, в зависимости от свойств поверхности этой частицы.
Исследователи, включая Буйе, использовали диэлектрофорез для быстрой сортировки бактерий по общим свойствам, таким как размер и вид. На этот раз Бьюи задался вопросом, сможет ли этот метод определить электрохимическую активность бактерий - гораздо более тонкое свойство.
«По сути, люди использовали диэлектрофорез для отделения бактерий, которые были такими же разными, как, скажем, лягушка от птицы, в то время как мы пытались отличить братьев и сестер лягушек - более мелкие различия», - говорит Ван.
Электрическая корреляция
В своем новом исследовании ученые использовали свою микрожидкостную установку для сравнения различных штаммов бактерий, каждый из которых обладает известной электрохимической активностью. Штаммы включали «дикий» или природный штамм бактерий, который активно вырабатывает 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 пропускала очень маленькие микролитровые образцы каждого бактериального штамма через микрофлюидный канал в форме песочных часов и медленно увеличивала напряжение в канале, один вольт в секунду, от 0 до 80 вольт. С помощью метода визуализации, известного как велоциметрия изображения частиц, они заметили, что результирующее электрическое поле продвигает бактериальные клетки через канал, пока они не достигнут сжатого участка, где гораздо более сильное поле действовало, отталкивая бактерии посредством диэлектрофореза и удерживая их на месте.
Некоторые бактерии оказались в ловушке при более низком приложенном напряжении, а другие - при более высоком. Ван принял к сведению «напряжение захвата» для каждой бактериальной клетки, измерил размеры их клеток, а затем использовал компьютерное моделирование для расчета поляризуемости клетки - насколько легко клетке формировать электрические диполи в ответ на внешнее электрическое поле.
Из своих расчетов Ван обнаружила, что бактерии, которые были более электрохимически активны, имеют более высокую поляризуемость. Она наблюдала эту корреляцию у всех видов бактерий, которые тестировала группа.
«У нас есть необходимые доказательства того, что существует сильная корреляция между поляризуемостью и электрохимической активностью», - говорит Ван.«На самом деле поляризуемость может быть чем-то, что мы могли бы использовать в качестве прокси для отбора микроорганизмов с высокой электрохимической активностью».
Ванг говорит, что, по крайней мере, для тех штаммов, которые они измерили, исследователи могут измерить выработку электроэнергии путем измерения их поляризуемости - то, что группа может легко, эффективно и неразрушающе отслеживать с помощью своей микрофлюидной техники.
Сотрудники команды в настоящее время используют этот метод для тестирования новых штаммов бактерий, которые недавно были идентифицированы как потенциальные производители электроэнергии.
«Если такая же тенденция корреляции характерна для этих новых штаммов, то этот метод может иметь более широкое применение в производстве чистой энергии, биоремедиации и производстве биотоплива», - говорит Ван.