Жизнь в экстремальных условиях требует творческой адаптации. Для некоторых видов бактерий, которые существуют в условиях недостатка кислорода, это означает, что нужно найти способ дышать, в котором нет кислорода. Эти выносливые микробы, которые можно найти глубоко в шахтах, на дне озер и даже в кишечнике человека, выработали уникальную форму дыхания, которая включает в себя выделение и откачку электронов. Другими словами, эти микробы действительно могут производить электричество.

Ученые и инженеры изучают способы использования этих микробных электростанций для запуска топливных элементов и очистки сточных вод, а также для других целей. Но выявление электрических свойств микробов было проблемой: клетки намного меньше, чем клетки млекопитающих, и их чрезвычайно трудно выращивать в лабораторных условиях.

Теперь инженеры MIT разработали микрофлюидную технику, которая может быстро обрабатывать небольшие образцы бактерий и определять специфические свойства, которые тесно связаны со способностью бактерий производить электричество. Они говорят, что это свойство, известное как поляризуемость, может быть использовано для оценки электрохимической активности бактерий более безопасным и эффективным способом по сравнению с современными методами.

«Цель состоит в том, чтобы выбрать наиболее сильных кандидатов для выполнения желаемых задач, которые люди хотят, чтобы клетки делали», — говорит Qianru Wang, постдок из Департамента машиностроения MIT.

«Существует недавняя работа, предполагающая, что может существовать гораздо более широкий спектр бактерий, обладающих [производящими электричество] свойствами», — добавляет Каллен Буи, доцент кафедры машиностроения в MIT. «Таким образом, инструмент, который позволяет вам исследовать эти организмы, может быть гораздо важнее, чем мы думали. Это может сделать не просто небольшая горстка микробов».

Buie и Wang опубликовали свои результаты сегодня 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 по крошечным каналам, образованным 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 — дотошный, длительный процесс. Другие методы требуют разрыва клетки, чтобы очистить и исследовать белки. Буи искал более быстрый, менее разрушительный метод для оценки электрической функции бактерий.

В течение последних 10 лет его группа строила микрожидкостные чипы, вытравленные небольшими каналами, через которые они пропускали микролитровые образцы бактерий. Каждый канал зажат в середине, чтобы сформировать конфигурацию песочных часов. Когда на канал подается напряжение, сжатый участок, примерно в 100 раз меньший, чем остальная часть канала, вызывает сжатие электрического поля, 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 дорожках при различных приложенных напряжениях, в зависимости от свойств поверхности этой частицы.

Исследователи, в том числе Буи, использовали диэлектрофорез для быстрой сортировки бактерий по общим свойствам, таким как размер и виды. На этот раз Буи подумал, может ли эта техника выявить электрохимическую активность бактерий — гораздо более тонкое свойство.

«В основном, люди использовали диэлектрофорез для отделения бактерий, которые отличались, как, скажем, лягушка от птицы, в то время как мы пытаемся различить братьев и сестер лягушек — небольшие различия», — говорит Ван.

Электрическая корреляция

В своем новом исследовании исследователи использовали свои микрофлюидные установки для сравнения различных штаммов бактерий, каждый из которых обладает различной известной электрохимической активностью. Штаммы включали в себя «дикий тип» или естественный штамм бактерий, который активно вырабатывает электричество в микробных топливных элементах, и несколько штаммов, которые исследователи разработали генетически. В общем, команда стремилась выяснить, существует ли корреляция между электрическими способностями бактерий и их поведением в микрофлюидном устройстве под действием диэлектрофорезной силы.

Команда пропустила очень маленькие микролитровые образцы каждого штамма бактерий через микрофлюидный канал в форме песочных часов и медленно увеличивала напряжение на канале, один вольт в секунду, от 0 до 80 вольт. Посредством техники визуализации, известной как велосиметрия изображения частиц, они обнаружили, что возникающее электрическое поле продвигало бактериальные клетки через канал, пока они не приблизились к зажатому участку, где гораздо более сильное поле действовало, чтобы оттолкнуть бактерии посредством диэлектрофореза и удержать их на месте.

Некоторые бактерии оказались в ловушке при более низких приложенных напряжениях, а другие при более высоких напряжениях. Ван принял к сведению «напряжение захвата» для каждой бактериальной клетки, измерил их размеры, а затем использовал компьютерное моделирование для расчета поляризуемости клетки — насколько легко для клетки формировать электрические диполи в ответ на внешнее электрическое поле .

Из ее расчетов Ван обнаружила, что бактерии, которые были более электрохимически активными, имели более высокую поляризуемость. Она наблюдала эту корреляцию по всем видам 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 посредника для отбора микроорганизмов с высокой электрохимической активностью».

Ван говорит, что, по крайней мере, для измеренных напряжений, исследователи могут измерять свое производство электроэнергии, измеряя их поляризуемость — то, что группа может легко, эффективно и неразрушающе отслеживать, используя свою микрофлюидную технику.

Коллабораторы в команде в настоящее время используют метод для тестирования новых штаммов бактерий, которые недавно были определены в качестве потенциальных производителей электроэнергии.

«Если та же тенденция корреляции относится к этим новым штаммам, то этот метод может найти более широкое применение в производстве экологически чистой энергии, биоремедиации и производстве биотоплива», — говорит Ван.