Это может быть хорошим маркетинговым ходом, но вы никогда не сможете сказать точно: есть ли определенные бактерии, которые производят небольшое количество электричества и могут использоваться в качестве электролита в батареях. Эти естественные виды бактерий, которые живут в условиях недостатка кислорода, например, глубоко в шахтах, на дне озер и даже в кишечнике человека, развили форму «дыхания», когда они выделяют электроны (мы называем это электричеством) в процесс, формально называемый внеклеточным переносом электронов (EET). Непосредственная практическая проблема заключается в том, как быстро и эффективно определить, являются ли тестируемые бактерии (которые могут быть известны как «НО»?) Типом, вырабатывающим электричество.
Чтобы ответить на этот вопрос, команда из Массачусетского технологического института объединила микрофлюидный канал, электрическое поле и передовые методы для оценки поляризуемости бактерий, что является электрохимической характеристикой, тесно связанной с выработкой электроэнергии. Они сообщают об этом процессе в своей очень подробной и интенсивной работе, опубликованной в AAAS Science Advances, «Микрофлюидный диэлектрофорез, освещающий взаимосвязь между поляризуемостью оболочки микробных клеток и электрохимической активностью», а также в своих исчерпывающих дополнительных материалах.
Подход команды Массачусетского технологического института значительно отличается от существующих трудоемких методов, которые исследуют электрохимическую активность бактерий. Такие методы включают выращивание больших партий клеток и измерение активности белков EET или разрыв клеток для очистки и исследования их белков.
Физическим элементом проекта является изготовление микрожидкостного чипа, вытравленного небольшими каналами, которые «защемлены» по центру до 1/100 размера основного канала. Образцы бактерий в микролитровом объеме затем пропускают через канал по методике, известной как «трехмерный диэлектрофорез на основе изолятора (3DiDEP)»
Напряжение прикладывается к каналу для создания электрического поля, а напряженность поля на отверстии в защемленном участке соответственно больше, чем в основном канале, по отношению площадей поперечного сечения (рисунок выше). Результирующий градиент поля приводит к появлению силы диэлектрофореза, которая толкает ячейку против ее движения, вызванного электрическим полем, и может останавливать и даже отталкивать частицу в зависимости от уровня напряжения. Отношение является функцией поверхностных свойств частицы среди других факторов. (Это аналогично привлечению, остановке или даже отражению потока электронов с использованием электрифицированной сетки или электрического поля, хорошо известного и давно используемого физического явления для измерения энергии электрона.)
Электрохимическая активность и поляризуемость
В то время как диэлектрофорез был использован для быстрой сортировки бактерий по более общим свойствам, в том числе по размеру и виду, целью команды MIT было использование той же методики для оценки гораздо более тонкой электрохимической активности путем определения наличия корреляции между электрохимической активностью и более высокой поляризуемостью.
Для этого они увеличили напряжение на микроканале с 0 до 80 В, а затем наблюдали поведение бактерий, поскольку электрическое поле продвигало бактерии в защемленную часть, где более сильное поле «захватывало» их (рисунок ниже). Измеряя напряжение захвата для каждой ячейки и измеряя размер ячейки, а также используя имитационную и расчетную модель на основе COMSOL, они смогли определить относительную «легкость», с которой ячейка может сформировать электрический диполь в ответ на электрическое поле.
Разность потенциалов, линейно увеличивающаяся на 1 В / сек, была применена к каналу (а). Увеличенный вид микроканала с выделением области сужения (b). Схема принципа захвата 3DiDEP, при котором бактерии вблизи сужения иммобилизируются, когда сила DEP (пропорциональная градиенту электрического поля) уравновешивается силами сопротивления из-за фонового электроосмотического потока и электрофореза (c). Распределение величины компонента x градиента поля показано в цветовой шкале фона (темно-красный указывает на более высокие значения)
Руководитель группы Qianru Wang, аспирант факультета машиностроения Массачусетского технологического института, отметил: «У нас есть необходимые доказательства того, что существует сильная корреляция между поляризуемостью и электрохимической активностью. Фактически, поляризуемость может быть чем-то, что мы могли бы использовать в качестве посредника для отбора микроорганизмов с высокой электрохимической активностью ».
Команда также обнаружила, что бактерии, которые были более электрохимически активными, имели более высокую поляризуемость среди всех протестированных видов бактерий.
Достижения в микроразмерных каналах являются ключевыми для физических аспектов эксперимента. Устройство 3DiDEP было изготовлено с помощью микрообработки ЧПУ кусочка листа полиметилметакрилата (ПММА) и сопряжение его с другим чистым ПММА. Последний канал имел длину 1 см с 50-мм, 50х50-мм поперечной суженной зоной в центре (площадь 2500 мм2). Два основных канала имеют размеры поперечного сечения 500 × 500 мм, которые дают желаемый коэффициент сужения × 100.
Кто знает, возможно, в недалеком будущем появится специальная аккумуляторная батарея с названием «питание от бактерий», поскольку она претендует на уникальность и экологичность?
