Ученые из Японского национального института материаловедения (NIMS) разработали устройство, способное проводить в сотни раз больше электрохимических измерений, чем обычные устройства. Анализируя большие объемы данных устройства, команда определила молекулярные механизмы, которые позволяют электрогенным бактериям эффективно генерировать электричество даже при воздействии широкого диапазона электродных потенциалов.

Этот метод также можно использовать для анализа материалов, взаимодействующих с микроорганизмами (например, биоразлагаемых пластиков), что потенциально может облегчить усилия по поиску инновационных материалов, разлагаемых микроорганизмами.

Работа была опубликована в журнале Patterns в октябре 2022 года.

Некоторые микроорганизмы могут генерировать электричество при очистке сточных вод. Поскольку на этот экологически безопасный механизм выработки электроэнергии влияют различные факторы, традиционные экспериментальные и теоретические подходы к его пониманию и контролю были затруднены. Наука о данных — анализ огромных объемов данных — считалась потенциально эффективным подходом к этой проблеме. Однако для этого требуется большое количество высококачественных электрохимических данных с определенными условиями и небольшой изменчивостью, что делает его практически невозможным технически и экономически.

Исследователи разработали систему электрохимических измерений, способную проводить в сотни раз больше электрохимических измерений с помощью трех электродов , чем обычные системы. Затем они создали высококачественную базу данных и проанализировали данные, используя методы науки о данных, чтобы определить взаимосвязь между эффективностью выработки электроэнергии бактериями и концентрацией внешних факторов, усиливающих внеклеточный перенос электронов бактериями.

Кроме того, они определили механизмы, с помощью которых молекулы рибофлавина служат переносчиками внеклеточных электронов, что позволяет электрогенным бактериям эффективно генерировать электричество даже при воздействии широкого диапазона электродных потенциалов.

Новая система электрохимических измерений, разработанная группой, значительно более экономична, чем обычные системы, и продемонстрировала высокую воспроизводимость измерений. Это первое исследование, демонстрирующее, что методы науки о данных (то есть анализ огромного количества данных электрохимических измерений) могут эффективно использоваться в исследованиях микробной электрохимии.

Более того, поскольку электрический ток , производимый микроорганизмами, является индикатором уровня их метаболической активности, эту систему можно использовать для измерения воздействия микроорганизмов на биоматериалы. Например, скорость, с которой биоразлагаемый пластик распадается, должна положительно коррелировать с количеством электрического тока, производимого разлагающими его микроорганизмами.

Систему также можно использовать для измерения электрического тока, производимого микроорганизмами, связанными с различными материалами. Затем эти данные могут быть проанализированы с использованием методов науки о данных для прогнозирования материалов с превосходными физическими свойствами, что потенциально ускорит усилия по поиску новых эффективных материалов.