生活在極端條件下需要創(chuàng)造性的適應(yīng)。對于一些存在于缺氧環(huán)境中的細(xì)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(xué)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(xì)胞比哺乳動物細(xì)胞小得多，在實驗室條件下生長極其困難。
現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師開發(fā)了一種微流體技術(shù)，可以快速處理小型細(xì)菌樣本，并測量與細(xì)菌發(fā)電能力高度相關(guān)的特定屬性。他們說，與現(xiàn)有技術(shù)相比，這種稱為極化的特性可以更安全有效地用于評估細(xì)菌的電化學(xué)活性。
麻省理工學(xué)院機(jī)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(xì)胞完成的理想任務(wù)。”
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授Cullen Buie補(bǔ)充道：“最近的研究表明，可能存在更廣泛的細(xì)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(shù)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(xì)菌在細(xì)胞中產(chǎn)生電子，然后通過表面蛋白質(zhì)形成的微小通道將這些電子轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜上。這個過程被稱為細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移或EET。
檢測細(xì)菌電化學(xué)活性的現(xiàn)有技術(shù)包括培養(yǎng)大量細(xì)胞和測量EET蛋白的活性——這是一個細(xì)致而耗時的過程。其他技術(shù)需要細(xì)胞分裂來純化和檢測蛋白質(zhì)。Buie正在尋找一種更快、破壞性更小的方法來評估細(xì)菌的電功能。
在過去的10年里，他的團(tuán)隊一直在制作蝕刻有小通道的微流控芯片，微量升的細(xì)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(jié)構(gòu)。當(dāng)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(qiáng)強(qiáng)100倍。電場的梯度產(chǎn)生一種稱為介電泳的現(xiàn)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(jù)粒子的表面特性，在不同的外加電壓下排斥粒子或?qū)⒘Ｗ颖３衷谲壍郎稀?
包括Buie在內(nèi)的研究人員使用介電泳技術(shù)，根據(jù)細(xì)菌的一般特性，如大小和種類，對細(xì)菌進(jìn)行快速分類。這一次，Buie想知道這項技術(shù)能否消除細(xì)菌的電化學(xué)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(xì)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(guān)
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(xì)菌菌株，每種菌株都具有不同的已知電化學(xué)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(xì)菌菌株，以及研究人員已經(jīng)進(jìn)行基因改造的幾種菌株。一般來說，該團(tuán)隊的目標(biāo)是確定在介電泳力作用下，細(xì)菌的電能與其在微流體裝置中的性能之間是否存在相關(guān)性。
研究小組將每種細(xì)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(shù)的成像技術(shù)，他們觀察到產(chǎn)生的電場推動細(xì)菌細(xì)胞穿過通道，直到它們接近壓力部分，在壓力部分，更強(qiáng)的區(qū)域推動細(xì)菌，并通過介電泳將它們捕獲在適當(dāng)?shù)奈恢谩?
一些細(xì)菌在較低的外加電壓下被捕獲，而另一些細(xì)菌在較高的電壓下被捕獲。王注意到每個細(xì)菌細(xì)胞的“捕獲電壓”，測量它們的細(xì)胞大小，然后通過計算機(jī)模擬計算細(xì)胞極化率——細(xì)胞在外部電場下形成電偶極子是多么容易。
根據(jù)她的計算，王發(fā)現(xiàn)電化學(xué)活性較高的細(xì)菌往往具有較高的極化率。她觀察了這個組中所有被測細(xì)菌種類的相關(guān)性。
“我們有必要的證據(jù)表明極化率和電化學(xué)活性之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，”王說?！笆聦嵣?，極化率可能是我們可以用來選擇具有高電化學(xué)活性的微生物的一種試劑?！?
王說，至少對于他們測量的應(yīng)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(chǎn)生——這個團(tuán)隊可以用他們的微流體技術(shù)輕松、有效和無損地跟蹤。
該團(tuán)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(chǎn)商的新菌株。
“如果相同的相關(guān)趨勢代表了那些更新的菌株，那么這項技術(shù)可以更廣泛地應(yīng)用于清潔能源生產(chǎn)、生物修復(fù)和生物燃料生產(chǎn)，”王說。
這項研究得到了美國國家科學(xué)基金會和生物技術(shù)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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