Att leva under extrema förhållanden kräver kreativa anpassningar. För vissa arter av bakterier som finns i syrefattiga miljöer, detta innebär att hitta ett sätt att andas som inte involverar syre. Dessa tåliga mikrober, som kan hittas djupt inne i gruvor, på botten av sjöar, och även i den mänskliga tarmen, har utvecklat en unik form av andning som går ut på att utsöndra och pumpa ut elektroner. Med andra ord, dessa mikrober kan faktiskt producera elektricitet.

Forskare och ingenjörer undersöker sätt att utnyttja dessa mikrobiella kraftverk för att driva bränsleceller och rena avloppsvatten, bland annat användningsområde. Men att fastställa en mikrobs elektriska egenskaper har varit en utmaning:Cellerna är mycket mindre än däggdjursceller och extremt svåra att odla i laboratorieförhållanden.

Nu har MIT-ingenjörer utvecklat en mikrofluidisk teknik som snabbt kan behandla små prover av bakterier och mäta en specifik egenskap som är starkt korrelerad med bakteriers förmåga att producera elektricitet. De säger att denna fastighet, känd som polariserbarhet, kan användas för att bedöma en bakteries elektrokemiska aktivitet på ett säkrare, mer effektivt sätt jämfört med nuvarande tekniker.

"Visionen är att välja ut de starkaste kandidaterna för att utföra de önskvärda uppgifterna som människor vill att cellerna ska göra, " säger Qianru Wang, en postdoc vid MIT:s institution för maskinteknik.

"Det finns nyligen arbete som tyder på att det kan finnas ett mycket bredare spektrum av bakterier som har [elektricitetsproducerande] egenskaper, " tillägger Cullen Buie, docent i maskinteknik vid MIT. "Således, ett verktyg som låter dig undersöka dessa organismer kan vara mycket viktigare än vi trodde. Det är inte bara en liten handfull mikrober som kan göra detta."

Buie och Wang har publicerat sina resultat idag i Vetenskapens framsteg .

Bara mellan grodor

Bakterier som producerar elektricitet gör det genom att generera elektroner i sina celler, överför sedan dessa elektroner över deras cellmembran via små kanaler som bildas av ytproteiner, i en process som kallas extracellulär elektronöverföring, eller EET.

Befintliga tekniker för att undersöka bakteriers elektrokemiska aktivitet involverar odling av stora partier av celler och mätning av aktiviteten hos EET-proteiner – en noggrann, tidskrävande process. Andra tekniker kräver att en cell spricker för att rena och undersöka proteinerna. Buie letade efter en snabbare, mindre destruktiv metod för att bedöma bakteriers elektriska funktion.

Under de senaste 10 åren, hans grupp har byggt mikrofluidiska chips etsade med små kanaler, genom vilka de flödar mikroliter-prover av bakterier. Varje kanal kläms i mitten för att bilda en timglaskonfiguration. När en spänning appliceras över en kanal, den klämda delen – ungefär 100 gånger mindre än resten av kanalen – pressar det elektriska fältet, vilket gör den 100 gånger starkare än det omgivande fältet. Gradienten av det elektriska fältet skapar ett fenomen som kallas dielektrofores, eller en kraft som trycker cellen mot dess rörelse inducerad av det elektriska fältet. Som ett resultat, dielektrofores kan stöta bort en partikel eller stoppa den i dess spår vid olika pålagda spänningar, beroende på partikelns ytegenskaper.

Forskare inklusive Buie har använt dielektrofores för att snabbt sortera bakterier efter allmänna egenskaper, som storlek och art. Vid den här tiden, Buie undrade om tekniken kunde släcka bakteriers elektrokemiska aktivitet - en mycket mer subtil egenskap.

"I grund och botten, människor använde dielektrofores för att separera bakterier som var så olika som säga, en groda från en fågel, medan vi försöker skilja mellan grodsyskon – mindre skillnader, " säger Wang.

En elektrisk korrelation

I deras nya studie, forskarna använde sin mikrofluidinställning för att jämföra olika bakteriestammar, var och en med olika, känd elektrokemisk aktivitet. Stammarna inkluderade en "vildtyp" eller naturlig bakteriestam som aktivt producerar elektricitet i mikrobiella bränsleceller, och flera stammar som forskarna hade genmanipulerat. I allmänhet, teamet syftade till att se om det fanns en korrelation mellan en bakteries elektriska förmåga och hur den beter sig i en mikrofluidisk enhet under en dielektroforetisk kraft.

Teamet flödade väldigt litet, mikroliterprover av varje bakteriestam genom den timglasformade mikrofluidkanalen och förstärkte långsamt spänningen över kanalen, en volt per sekund, från 0 till 80 volt. Genom en avbildningsteknik känd som partikelbildhastighet, de observerade att det resulterande elektriska fältet drev bakterieceller genom kanalen tills de närmade sig den klämda delen, där det mycket starkare fältet verkade för att trycka tillbaka på bakterierna via dielektrofores och fånga dem på plats.

Vissa bakterier fångades vid lägre pålagda spänningar, och andra vid högre spänningar. Wang noterade "fångningsspänningen" för varje bakteriecell, mätt deras cellstorlekar, och använde sedan en datorsimulering för att beräkna en cells polariserbarhet – hur lätt det är för en cell att bilda elektriska dipoler som svar på ett externt elektriskt fält.

Från hennes beräkningar, Wang upptäckte att bakterier som var mer elektrokemiskt aktiva tenderade att ha en högre polariserbarhet. Hon observerade detta samband mellan alla bakteriearter som gruppen testade.

"Vi har de nödvändiga bevisen för att se att det finns en stark korrelation mellan polariserbarhet och elektrokemisk aktivitet, " säger Wang. "Faktiskt, polariserbarhet kan vara något vi kan använda som en proxy för att välja mikroorganismer med hög elektrokemisk aktivitet."

Wang säger att åtminstone för de stammar de mätte, forskare kan mäta sin elproduktion genom att mäta deras polariserbarhet – något som gruppen enkelt kan, effektivt, och spåra oförstörande med hjälp av deras mikrofluidiska teknik.

Samarbetspartners i teamet använder för närvarande metoden för att testa nya stammar av bakterier som nyligen har identifierats som potentiella elproducenter.

"Om samma trend av korrelation står för de nyare stammarna, då kan denna teknik ha en bredare tillämpning, inom ren energiproduktion, bioremediering, och produktion av biobränslen, " säger Wang.