生活在極端條件下需要創(chuàng)造性的適應。對于一些存在于缺氧環(huán)境中的細菌物種來說，這意味著找到一種無氧呼吸的方法。這些耐寒微生物可以在礦井深處、湖底甚至人體腸道中找到，并形成了獨特的呼吸形式，包括排泄和提取電子。換句話說，這些微生物實際上可以發(fā)電。
科學家和工程師正在探索如何利用這些微生物發(fā)電廠來運行燃料電池和凈化污水，以及其他用途。然而，確定微生物的電特性是一個挑戰(zhàn)：細胞比哺乳動物細胞小得多，在實驗室條件下生長極其困難。
現在，麻省理工學院的工程師開發(fā)了一種微流體技術，可以快速處理小型細菌樣本，并測量與細菌發(fā)電能力高度相關的特定屬性。他們說，與現有技術相比，這種稱為極化的特性可以更安全有效地用于評估細菌的電化學活性。
麻省理工學院機械工程系博士后王倩茹說：“我們的愿景是選出最有實力的候選人，完成人類希望細胞完成的理想任務?！?
麻省理工學院機械工程副教授Cullen Buie補充道：“最近的研究表明，可能存在更廣泛的細菌，它們具有(發(fā)電)特性。”“因此，一個能讓你探測到這些生物的工具可能比我們想象的要重要得多。不是只有少數微生物能做到這一點?！?
布依和王今天在發(fā)表了他們的研究成果。
就在青蛙之間。
發(fā)電細菌在細胞中產生電子，然后通過表面蛋白質形成的微小通道將這些電子轉移到細胞膜上。這個過程被稱為細胞外電子轉移或EET。
檢測細菌電化學活性的現有技術包括培養(yǎng)大量細胞和測量EET蛋白的活性——這是一個細致而耗時的過程。其他技術需要細胞分裂來純化和檢測蛋白質。Buie正在尋找一種更快、破壞性更小的方法來評估細菌的電功能。
在過去的10年里，他的團隊一直在制作蝕刻有小通道的微流控芯片，微量升的細菌樣本可以通過這些通道流動。每個通道夾在中間，形成一個沙漏形結構。當向通道施加電壓時，擠壓部分——比通道的其余部分小大約100倍——將擠壓電場，使其比周圍的場強強100倍。電場的梯度產生一種稱為介電泳的現象，或一種推動電池抵抗電場引起的運動的力。因此，介電泳可以根據粒子的表面特性，在不同的外加電壓下排斥粒子或將粒子保持在軌道上。
包括Buie在內的研究人員使用介電泳技術，根據細菌的一般特性，如大小和種類，對細菌進行快速分類。這一次，Buie想知道這項技術能否消除細菌的電化學活性——這是一個更微妙的特征。
王說：“基本上，人們在用介電泳分離不同于鳥類的細菌，比如青蛙和鳥類，而我們在試圖區(qū)分青蛙兄弟姐妹——較小的差異。
電相關
在他們的新研究中，研究人員使用他們的微流體裝置來比較各種細菌菌株，每種菌株都具有不同的已知電化學活性。這些菌株包括在微生物燃料電池中積極發(fā)電的“野生”或天然細菌菌株，以及研究人員已經進行基因改造的幾種菌株。一般來說，該團隊的目標是確定在介電泳力作用下，細菌的電能與其在微流體裝置中的性能之間是否存在相關性。
研究小組將每種細菌菌株的非常小的微升樣品通過沙漏形微流體通道，并緩慢地將通過通道的電壓(每秒1伏)從0增加到80伏。通過被稱為粒子圖像測速術的成像技術，他們觀察到產生的電場推動細菌細胞穿過通道，直到它們接近壓力部分，在壓力部分，更強的區(qū)域推動細菌，并通過介電泳將它們捕獲在適當的位置。
一些細菌在較低的外加電壓下被捕獲，而另一些細菌在較高的電壓下被捕獲。王注意到每個細菌細胞的“捕獲電壓”，測量它們的細胞大小，然后通過計算機模擬計算細胞極化率——細胞在外部電場下形成電偶極子是多么容易。
根據她的計算，王發(fā)現電化學活性較高的細菌往往具有較高的極化率。她觀察了這個組中所有被測細菌種類的相關性。
“我們有必要的證據表明極化率和電化學活性之間有很強的相關性，”王說。“事實上，極化率可能是我們可以用來選擇具有高電化學活性的微生物的一種試劑?！?
王說，至少對于他們測量的應變，研究人員可以通過測量它們的極化率來測量它們的功率產生——這個團隊可以用他們的微流體技術輕松、有效和無損地跟蹤。
該團隊的合作者目前正在使用這種方法來測試最近被確定為潛在電力生產商的新菌株。
“如果相同的相關趨勢代表了那些更新的菌株，那么這項技術可以更廣泛地應用于清潔能源生產、生物修復和生物燃料生產，”王說。
這項研究得到了美國國家科學基金會和生物技術合作研究所的部分支持，并得到了美國陸軍的支持。
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