生活在極端條件下需要?jiǎng)?chuàng)造性的適應(yīng)。對(duì)于一些存在于缺氧環(huán)境中的細(xì)菌物種來(lái)說(shuō)，這意味著找到一種無(wú)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(dú)特的呼吸形式，包括排泄和提取電子。換句話說(shuō)，這些微生物實(shí)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(lái)運(yùn)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(gè)挑戰(zhàn)：細(xì)胞比哺乳動(dòng)物細(xì)胞小得多，在實(shí)驗(yàn)室條件下生長(zhǎng)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(cè)量與細(xì)菌發(fā)電能力高度相關(guān)的特定屬性。他們說(shuō)，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(píng)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(shuō)：“我們的愿景是選出最有實(shí)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(gè)能讓你探測(cè)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(diǎn)?！?
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(gè)過程被稱為細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移或EET。
檢測(cè)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(cè)量EET蛋白的活性——這是一個(gè)細(xì)致而耗時(shí)的過程。其他技術(shù)需要細(xì)胞分裂來(lái)純化和檢測(cè)蛋白質(zhì)。Buie正在尋找一種更快、破壞性更小的方法來(lái)評(píng)估細(xì)菌的電功能。
在過去的10年里，他的團(tuán)隊(duì)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(dòng)。每個(gè)通道夾在中間，形成一個(gè)沙漏形結(jié)構(gòu)。當(dāng)向通道施加電壓時(shí)，擠壓部分——比通道的其余部分小大約100倍——將擠壓電場(chǎng)，使其比周圍的場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)100倍。電場(chǎng)的梯度產(chǎn)生一種稱為介電泳的現(xiàn)象，或一種推動(dòng)電池抵抗電場(chǎng)引起的運(yùn)動(dòng)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(duì)細(xì)菌進(jìn)行快速分類。這一次，Buie想知道這項(xiàng)技術(shù)能否消除細(xì)菌的電化學(xué)活性——這是一個(gè)更微妙的特征。
王說(shuō)：“基本上，人們?cè)谟媒殡娪痉蛛x不同于鳥類的細(xì)菌，比如青蛙和鳥類，而我們?cè)谠噲D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(lái)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(lái)說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)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(cè)速術(shù)的成像技術(shù)，他們觀察到產(chǎn)生的電場(chǎng)推動(dòng)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(dòng)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(gè)細(xì)菌細(xì)胞的“捕獲電壓”，測(cè)量它們的細(xì)胞大小，然后通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算細(xì)胞極化率——細(xì)胞在外部電場(chǎng)下形成電偶極子是多么容易。
根據(jù)她的計(jì)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(gè)組中所有被測(cè)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(shuō)?！笆聦?shí)上，極化率可能是我們可以用來(lái)選擇具有高電化學(xué)活性的微生物的一種試劑。”
王說(shuō)，至少對(duì)于他們測(cè)量的應(yīng)變，研究人員可以通過測(cè)量它們的極化率來(lái)測(cè)量它們的功率產(chǎn)生——這個(gè)團(tuán)隊(duì)可以用他們的微流體技術(shù)輕松、有效和無(wú)損地跟蹤。
該團(tuán)隊(duì)的合作者目前正在使用這種方法來(lái)測(cè)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(shì)代表了那些更新的菌株，那么這項(xiàng)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(shuō)。
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