技术识别产生电元的细菌

詹妮弗·库|麻省理工学院新闻办公室2019年1月11日在极端条件下生活需要创造性的改编。对于某些在氧气剥夺环境中存在的细菌,这意味着要找到

詹妮弗·库|麻省理工学院新闻办公室2019年1月11日

在极端条件下生活需要创造性的适应。对于某些氧化环境中存在的细菌,这意味着寻找一种不涉及氧气的呼吸方法。这些耐铁的微生物可以在湖泊底部甚至在人类肠道的底部深处发现,也进化了一种独特的呼吸形式,涉及排泄和抽出电子。换句话说,这些微生物实际上可以产生电力。

科学家和工程师正在探索利用这些微生物发电厂运行燃料电池并净化污水水等的方法。但是,固定微生物的电性能是一个挑战:这些细胞比哺乳动物细胞小得多,在实验室条件下非常困难。

现在,麻省理工学院工程师已经开发了一种微流体技术,该技术可以快速处理细菌的小样品,并衡量与细菌产生电能力高度相关的特定特性。他们说,与当前技术相比,该特性可用于以更安全,更有效的方式评估细菌的电化学活性。

麻省理工学院机械工程系的博士后Qianru Wang说:“愿景是挑选那些最强大的候选人来完成人类希望执行的理想任务。”

麻省理工学院机械工程副教授Cullen Buie补充说:“最近的工作表明,具有[产生电力]的特性可能会有更广泛的细菌。” “因此,使您能够探究这些生物的工具可能比我们想象的要重要得多。 Buie和Wang今天在科学进步中发表了他们的结果。

只是在青蛙之间

产生电力的细菌通过在其细胞中产生电子,然后通过表面蛋白形成的微小通道在其细胞膜中转移这些电子,并在称为细胞外电子转移或EET的过程中转移。

探测细菌电化学活性的现有技术涉及生长大量细胞并测量EET蛋白的活性 – 这是一种细致的,耗时的过程。其他技术需要破裂细胞才能纯化和探测蛋白质。 Buie寻找一种评估细菌的电气功能的更快,更破坏性的方法。

在过去的10年中,他的小组一直在建造带有小通道的微流体芯片,它们通过细菌的微层样本。每个通道都夹在中间,形成沙漏配置。当在通道上施加电压时,捏合部分(比通道的其余部分小100倍)在电场上挤压,使其比周围场强100倍。电场的梯度产生了一种称为介电的现象,或者将细胞推向电场诱导的运动的力。结果,介电性可以根据该粒子的表面特性在不同的施加电压下排除粒子或在其轨道中停止颗粒。包括BUIE在内的研究者使用介电的研究者使用介电的研究来根据一般特性(例如大小和物种)快速分类细菌。这次,Buie想知道该技术是否可以察觉细菌的电化学活动,这是一种更加微妙的特性。

王说:“基本上,人们正在使用介电性细菌分离,这些细菌与鸟类与鸟类一样不同,而我们正在尝试区分青蛙兄弟姐妹 – 微小的差异。”

电动相关性

在他们的新研究中,研究人员使用其微流体设置比较各种细菌菌株,每种细菌都具有不同的,已知的电化学活性。这些菌株包括一种“野生型”或自然菌株的细菌菌株,该菌株在微生物燃料电池中积极产生电力,以及研究人员在基因上设计的几种菌株。通常,该团队的目的是查看细菌的电能力之间是否存在相关性,以及在介电摄取力下的微流体装置中的表现。团队通过沙漏形的微流体流通微流体菌株的每个细菌菌株的非常小的微量液样品流动。并慢慢将通道上的电压从0到80伏上升至每秒1伏。通过一种被称为粒子图像速度计的成像技术,他们观察到所得的电场通过通道驱动细菌细胞,直到它们接近捏截面为止,在那里,更强大的场作用着通过介电嗜嗜培养虫将细菌推回细菌并将其捕获到适当的位置。

一些细菌被困在较低的施加电压下,另一些细菌在较高的电压下被困。 Wang注意到每个细菌细胞的“捕获电压”,测量了它们的细胞大小,然后使用计算机模拟来计算细胞的极化性 – 对于响应外部电场而形成电偶极子的电池是多么容易。

从她的计算中,王发现具有更高的电化学活性的细菌往往具有更高的极化性。她观察到该组测试的所有细菌中的这种相关性。

王说:“我们有必要的证据可以看到两极分化和电化学活动之间存在很强的相关性。” “实际上,极化性可能是我们可以用作选择具有高电化学活动的微生物的代理。”可以使用其微流体技术轻松,有效且非破坏性地跟踪。

该团队的合作者目前正在使用该方法测试新的细菌菌株,这些细菌最近被确定为潜在的电力生产商。

王说:“如果相同的相关趋势代表这些新的菌株,那么这种技术可以在清洁能源产生,生物修复和生物燃料生产中具有更广泛的应用。”

这项研究得到了国家科学基金会和协作生物技术研究所的部分支持,并通过美国陆军的赠款提供了支持。

经过麻省理工学院新闻的许可转载

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