Жизнь в экстремальных условиях требует творческого подхода к процессу адаптации. Для некоторых видов бактерий, которые существуют в условиях постоянного недостатка в кислороде, это означает, что им нужно найти способ дышать без использования данного элемента. Эти выносливые микробы, которые обитают глубоко в шахтах, на дне озер и даже в кишечнике человека, выработали уникальную форму дыхания, включающую в себя выделение и откачку электронов. Другими словами, они могут производить электричество.

Ученые и инженеры исследуют методы использования этих микробных электростанций для создания новых топливных элементов и очистки сточных вод, а также выполнения множества других целей. Однако обнаружение электрических свойств микробов стало большой проблемой, так как эти клетки намного меньше, чем клетки млекопитающих, и их чрезвычайно трудно выращивать в лабораторных условиях.

Однако недавно инженеры Массачусетского технологического института (MIT) разработали микрофлюидный метод, который может быстро обрабатывать небольшие образцы бактерий и определять их специфическое свойство, тесно связанное со способностью вырабатывать электричество. Они отмечают, что этим свойством является поляризуемость. Именно оно используется для оценки электрохимической активности бактерии. Этот способ более безопасный и эффективный по сравнению с любыми другими современными методами.

«Основная цель заключается в выборе наиболее сильных кандидатов для выполнения желаемых задач», – отмечает Цяньру Ван, посток в кафедре механической инженерии MIT.

«Вышедшая недавно научная работа предполагает, что существует гораздо более широкий спектр бактерий, обладающих данным свойством и способных вырабатывать электричество. Таким образом, инструмент, который позволяет вам исследовать эти организмы, может иметь гораздо большее значение, чем мы думали ранее. Теперь речь не идет о небольшой горстке бактерий», – добавил Кален Буи, доцент кафедры механической инженерии в MIT.

Буи и Ван опубликовали результаты своего исследования сегодня в журнале Science Advances.

«Только между лягушками»

Бактерии, которые производят электричество, осуществляют эту процедуру, генерируя электроны внутри своих клеток, а затем перенося их через свои клеточные мембраны по крошечным каналам, образованным поверхностными белками, в рамках процесса, известного как внеклеточный перенос электронов или EET.

Существующие методы исследования электрохимической активности бактерий включают в себя выращивание больших партий клеток и измерение активности белков EET – это невероятно дотошный и длительный процесс. Другие способы требуют разрыва клетки, чтобы достать и исследовать белки. Буи искал более быстрый и менее разрушительный метод для оценки электрической функции бактерий.

В течение последних 10 лет его группа создавала микрожидкостные чипы с выгравированными на них небольшими каналами, через которые пропускаются микролитровые образцы бактерий. Каждый канал зажат в середине, чтобы сформировать конфигурацию песочных часов. Когда на канал подается напряжение, сжатый участок, который примерно в 100 раз меньше остальной части канала, приводит к сжатию электрического поля, делая его в 100 раз сильнее окружающего поля. Градиент электрического поля создает явление, известное как диэлектрофорез или сила, которая толкает клетку против ее движения, вызванного электрическим полем. В результате диэлектрофорез может отталкивать частицу или останавливать ее на дорожках при различном напряжении, зависящем от свойств поверхности этой частицы.

Исследователи, в том числе Буи, использовали диэлектрофорез для быстрой сортировки бактерий по общим свойствам, таким как размер и виды. Но на этом раз Буи задумался о том, может ли этот метод выявить электрохимическую активность бактерий, являющуюся более скрытым свойством микробов.

«В основном диэлектрофорез использовался для отделения бактерий, которые отличались между собой, как, допустим, лягушка от птицы, в то время как мы пытаемся найти различия только между лягушками», – отметила Ван.

Электрическая корреляция

В своем новом исследовании ученые использовали микрофлюидные установки для сравнения различных штаммов бактерий, каждый из которых обладает различной электрохимической активностью. Штаммы включали в себя «дикий тип» или естественный штамм бактерий, который активно вырабатывает электричество в микробных топливных элементах, и несколько штаммов, разработанных исследователями генетическим путем. В общем, команда стремилась выяснить, существует ли корреляция между электрическими способностями бактерий и их поведением в микрофлюидном устройстве под действием диэлектрофорезной силы.

Команда пропустила очень маленькие микролитровые образцы каждого штамма бактерий через микрофлюидный канал в форме песочных часов и медленно увеличивала напряжение на канале: один вольт в секунду, от 0 до 80 вольт. Посредством техники визуализации, известной как велосиметрия изображения частиц, они обнаружили, что возникающее электрическое поле продвигало клетки бактерий через канал, пока они не добирались до сжатого участка, где действовало гораздо более сильное поле, которое отталкивало их посредством диэлектрофореза и удерживало на месте.

Некоторые бактерии оказывались в ловушке при низком напряжении, а другие – при высоком. Ван оценил «напряжение захвата» для каждой клетки, измерил их размеры, а затем использовал компьютерное моделирование для расчета поляризуемости клеток – насколько легко клетка формирует электрические диполи в ответ на внешнее электрическое поле.

Из этих расчетов Ван обнаружила, что более электрохимически активные бактерии имеют более высокую поляризуемость. Она наблюдала эту корреляцию во всех видах бактерий, которые тестировала группа.

«У нас есть необходимые доказательства того, что существует сильная корреляция между поляризуемостью и электрохимической активностью. Фактически поляризуемость можно использовать в качестве посредника для отбора микроорганизмов с высокой электрохимической активностью».

Коллабораторы в команде в настоящее время используют метод для тестирования новых штаммов бактерий, которые недавно были определены в виде потенциальных производителей электроэнергии.

«Если та же тенденция корреляции относится и к этим новым штаммам, то данный метод сможет получить более широкое применение, например, в производстве экологически чистой энергии, создании биотоплива и биоремедиации», – добавила Вон.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Вам может понравиться

Через 1 миллиард лет из атмосферы Земли исчезнет весь кислород

Через 1 миллиард лет на Земле исчезнет весь кислород, что приведет к гибели всего живого, сообщили ученые из Соединенных Штатов и Японии. Подробности рассказали авторы исследования Кристофер Рейнхард из Технологического

National Interest назвал российский бомбардировщик Ту-160 самым быстрым и большим в мире

Самый быстрый бомбардировщик из когда-либо построенных. Самый большой бомбардировщик из когда-либо построенных. Самый тяжелый бомбардировщик из когда-либо построенных. Все это относится к Ту-160 «Белый лебедь» (кодовое имя НАТО «Блэкджек»), унаследованному

Ученые обнаружили в мозге связанные с сексуальной ориентацией различия

Шведские исследователи смогли обнаружить отличия в мозге у людей с нетрадиционной сексуальной ориентацией. Специалисты провели анализ МРТ и генетической информации свыше 18 тысяч пациентов, полученных из биобанка Великобритании. В результате
Погода в России: