Бактериальное электричество
Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) разработали микрофлюидную технику, с помощью которой можно быстро анализировать небольшие образцы бактерий на предмет определения специфических свойств, коррелирующих со способностью бактерий производить электричество. Кьянру Вонг (Qianru Wang) и Каллен Буи (Cullen Buie) научились определять электрохимическую активность клеток бактерий по уровню их поляризуемости.
Исследование было проведено при поддержке американского Национального научного фонда (National Science Foundation) и Института совместных биотехнологий (Institute for Collaborative Biotechnologies). Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.
Некоторые виды бактерий проявляют удивительные адаптационные условия, например, способны жить в условиях недостатка или даже полного отсутствия кислорода. Подобные микроорганизмы, живущие в самых неожиданных локациях от угольных шахт до человеческого кишечника, научились уникальной форме дыхания, в результате которого они выделяют электроны. Этот процесс известен как внеклеточный перенос электронов (EET). Грубо говоря, эти микробы способны генерировать электроэнергию.
Существуют разные варианты практического использования таких бактерий: от создания полноценных топливных элементов до систем очистки сточных вод. Однако на пути к этому исследователи столкнулись с существенной проблемой. Распознать микробов, обладающие необходимыми электрическими способностями, оказалось не так просто, а выращивать их в лабораторных условиях еще сложнее.
Существующие методы исследования электрохимической активности бактерий предполагают выращивание крупных партий соответствующих клеток и измерение активности особых EET-белков. Это длительный и скрупулезный процесс. В течение последних десяти лет научная группа под руководством Вонга и Буи искала способ упростить эту технологию и создавала различные версии микрофлюидных устройств для анализа образцов бактерий с помощью явления диэлектрофореза.
Ранее исследователи использовали диэлектрофорез для быстрой сортировки бактерий по общим свойствам, например, по их размеру. В этот раз ученые решили применить метод для оценки электрохимической активности бактерий. До этого с помощью диэлектрофореза сортировали бактерии, которые отличались друг от друга примерно так же, как лягушка отличается от птицы, а Вонг и Буи попробовали отличить одну лягушку от другой, что значительно сложнее.
В своей новой работе исследователи использовали микрофлюидную установку для сравнения штаммов бактерий с разными уровнями электрохимической активности. В список штаммов входили как «дикие» бактерии, способные генерировать электричество, так и штаммы, созданные генными инженерами в лаборатории. Ученые хотели понять, существует ли связь между способностью бактерий к производству электричества и тем, как они ведут себя внутри микрофлюидного устройства под воздействием диэлектрофореза.
Они пропускали небольшие образцы каждого штамма через микрофлюидный канал в форме песочных часов и медленно (1 Вольт в секунду) повышали напряжение в нем в диапазоне от 0 до 80 Вольт. Результирующее электрическое поле проталкивало клетки бактерий сквозь канал до тех пор, пока они не достигали самой узкой его части, где за счет диэлектрофореза на них действовала сила обратного направления, в результате чего клетки попадали в своеобразную ловушку.
Одни бактерии попадали в нее при более низком напряжении, другие – при более высоком. Исследователи соотнесли соответствующие уровни напряжений с размерами клеток, что позволило им рассчитать поляризуемость бактерий. Оказалось, что бактерии с большей электрохимической активностью имели более высокий уровень поляризуемости. Подобная корреляция была обнаружена у всех видов, использовавшихся в научном эксперименте.
В настоящее время команда ученых получила для проверки партию новых штаммов бактерий, потенциал которых в вопросе генерирования энергии оценивается как высокий. Новый метод может найти применение при производстве чистой энергии и биотоплива, а также в биоремедиации.