技术识别产生电力的细菌

生活在极端条件下需要创造性的适应。对于存在于氧气剥夺环境中存在的某些物种的细菌,这意味着寻找一种不涉及氧气的呼吸方式。这些耐寒的微生物,可以在湖泊底部深处发现,湖泊底部,甚至在人体肠道中,已经进化了一种独特的呼吸形式,涉及排泄和泵出电子。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如何利用这些微生物发电厂运行燃料电池并净化污水水的方法。但钉住微生物的电气性质是挑战:细胞比哺乳动物细胞小得多,并且极难在实验室条件下生长。

现在,麻省理工学院工程师开发了一种微流体技术,可以快速处理细菌的小样本,并衡量与细菌产生电力的能力高度相关的特定性质。他们说,与当前技术相比,可用于评估细菌的电化学活性,以更安全,更有效的方式评估细菌的电化学活性。

“愿景是挑选那些最强的候选人来做人类希望细胞的理想任务,”麻省理工学院机械工程系的博士后,李先鲁王说。

“最近的工作表明可能存在大量更广泛的细菌,这些细菌具有[发电]的性质,”麻省理工学院机械工程副教授Cullen Buie副教授Cullen Buie。 “因此,允许您探测这些生物的工具可能比我们想象的要重要。这不仅仅是一部可能这样做的微生物。“

Buie和Wang今天发表了他们的结果 科学推进.

就在青蛙之间

通过在其细胞内产生电子产生电力的细菌通过,然后通过表面蛋白形成的微小通道在其细胞外电子转移或EET中形成的微小通道将那些电子转移到它们的细胞膜上。

用于探测细菌的电化学活性的现有技术涉及生长大批次细胞并测量EET蛋白的活性 - 一种细致,耗时的过程。其他技术需要破裂细胞以纯化和探测蛋白质。 Buie寻找更快,更具破坏性的方法来评估细菌的电气功能。

在过去的10年里,他的小组一直在建立微流体芯片,蚀刻小沟道,通过该芯片,通过该芯片,通过该芯片,流动微透镜样品细菌。每个通道都夹在中间以形成沙漏配置。当电压施加在通道上时,夹持部分 - 比频道其余部分小约100倍 - 在电场上挤压,使其比周围场更强100倍。电场的梯度产生称为介电泳的现象,或者将电池推向由电场引起的运动的力。结果,取决于该颗粒的表面性质,介电流量可以在不同施加电压下旋转颗粒或在其轨道中停止它。

包括Buie的研究人员使用介电泳根据一般性质,例如尺寸和物种,快速分类细菌。这一次,Buie想知道该技术是否可以抑制细菌的电化学活动 - 更加微妙的财产。

“基本上,人们使用介电泳来分离与一只鸟类的青蛙不同的细菌,而我们正试图区分青蛙兄弟姐妹 - ”王说。“

电力相关

在新的研究中,研究人员使用微流体设置来比较各种细菌菌株,每种细菌菌株都具有不同的已知电化学活性。菌株包括“野生型”或天然的细菌菌株,积极地产生微生物燃料电池中的电力,以及研究人员遗传工程的几种菌株。一般来说,团队旨在了解细菌的电力能力与在微流体装置下是否在介电泳的情况下表现之间存在相关性。

该团队通过沙漏形微流体通道流动了每种细菌菌株的非常小的微升样本,并缓慢地在沟道上的电压,一个伏特,每秒,从0到80伏。通过称为粒子图像速度的成像技术,他们观察到所得电磁场通过通道推进细菌细胞,直到它们接近夹持部分,其中较强的场上通过介电电泳将其推回细菌并将它们捕获到位。

一些细菌被捕获在较低施加的电压下,其他细菌处于较高电压下。王某注意到每个细菌细胞的“捕获电压”,测量它们的细胞尺寸,然后使用计算机模拟来计算细胞的极化性 - 对于电池响应于外部电场而形成电偶极子的容易。

从她的计算来看,王发现细胞更具电化学活性的细菌倾向于具有更高的极化性。她观察到该组织测试的所有细菌中的这种相关性。

“我们有必要的证据表明,极化性和电化学活动之间存在强烈的相关性,”王说。 “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。”

王说,至少对他们测量的菌株来说,研究人员可以通过测量它们的极化性来衡量它们的电力生产 - 这些组可以使用微流体技术容易,有效地和无损地跟踪。

该团队上的合作者目前正在使用该方法来测试最近被确定为潜在电力生产商的新细菌菌株。

“如果相关的相关趋势适用于那些较新的菌株,那么这种技术可以具有更广泛的应用,在清洁能量产生,生物修复和生物燃料生产中,”王说。

该研究部分受到国家科学基金会的一部分,通过美国军队的补助金,并由国家科学基金会和合作生物技术研究所得到支持。



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