微流體技術可以根據細菌的發電能力對其進行快速分類。
利用新微流體技術篩選的微生物可用於發電或環境淨化。
生活在極端條件下需要創造性的適應。對於某些存在於缺氧環境中的細菌，這意味著找到一種不需要氧氣的呼吸方式。這些頑強的微生物可以在礦井深處、湖底甚至人的腸道中找到，它們進化出了一種獨特的呼吸方式，包括排洩和泵出電子。換句話說，這些微生物實際上可以發電。
科學家和工程師正在探索利用這些微生物發電廠來運行燃料電池和淨化汙水的方法。但確定微生物的電學特性一直是一個挑戰:這些細胞比哺乳動物細胞小得多，在實驗室條件下很難生長。
現在麻省理工學院的工程師們開發了一種微流體技術，可以快速處理小樣本的細菌，並測量與細菌發電能力高度相關的特定特性。他們說，與目前的技術相比，這種被稱為極化率的特性可以用一種更安全、更有效的方式來評估細菌的電化學活性。
麻省理工學院機械工程系博士後王千如(音譯)表示:“我們的目標是挑選出那些最強大的候選者，來完成人類希望細胞完成的理想任務。”
麻省理工學院(MIT)機械工程副教授卡倫•布伊(Cullen Buie)補充稱:“最近的研究表明，可能有更廣泛的細菌具有(發電)特性。”“因此，一種能讓你探測這些生物體的工具可能比我們想象的要重要得多。不僅僅是一小部分微生物能做到這一點。”
Buie和王今天在《科學進展》上發表了他們的研究結果。
細菌通過在細胞內產生電子來發電，然後通過表面蛋白形成的微小通道將這些電子轉移到細胞膜上，這一過程被稱為細胞外電子轉移(EET)。
現有的探測細菌電化學活性的技術包括培養大量細胞和測量EET蛋白的活性——這是一個細緻、耗時的過程。其他技術需要破壞細胞來純化和探測蛋白質。Buie尋找了一種更快、破壞性更小的方法來評估細菌的電功能。
在過去的10年裡，他的團隊一直在建造微流控芯片，這些芯片上蝕刻著小通道，通過這些通道，微流控芯片可以流動細菌樣本。每個通道都被夾在中間，形成沙漏形狀。當一個電壓通過一個通道時，被擠壓的部分——比通道的其他部分小100倍——對電場施加擠壓，使其比周圍的電場強100倍。電場的梯度產生了一種稱為介電泳的現象，或一種力，它推動細胞抵抗電場引起的運動。因此，介電電泳可以在不同的外加電壓下擊退或阻止粒子的運動，這取決於粒子的表面性質。
包括Buie在內的研究人員利用介電泳技術，根據細菌的一般特性，如大小和種類，對細菌進行快速分類。這一次，Buie想知道這項技術能否探測出細菌的電化學活性——這是一種非常微妙的性質。
王說:“基本上，人們使用電泳技術來分離像青蛙和鳥一樣不同的細菌，而我們試圖區分青蛙的兄弟姐妹——差別更小。”
一個電動的相關性
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不同菌株的細菌，每個菌株都具有不同的已知電化學活性。這些菌株包括一種“野生型”或在微生物燃料電池中活躍地發電的天然菌株，以及研究人員通過基因工程改造的幾種菌株。總的來說，研究小組的目的是研究細菌的電性能是否與它在微流體裝置中在介電泳力作用下的行為有關。
研究小組將每一種細菌的非常小的微升樣本通過沙漏形的微流體通道，然後緩慢地將通道上的電壓從0伏特提高到80伏特，每秒1伏特。通過一種被稱為粒子圖像測速的成像技術，他們觀察到，由此產生的電場推動細菌細胞通過通道，直到它們接近被擠壓的部分，在那裡，更強的電場通過介電泳將細菌推回去，並將它們困在適當的位置。
一些細菌在較低的電壓下被捕獲，另一些則在較高的電壓下被捕獲。王注意到每個細菌細胞的“捕獲電壓”，測量了它們的細胞大小，然後用計算機模擬計算細胞的極化率——細胞在外部電場作用下形成電偶極子是多麼容易。
從她的計算中，王發現，電化學活性越強的細菌極化率越高。她觀察了該小組所測試的所有細菌的這種相關性。
“我們有必要的證據證明極化率和電化學活性之間有很強的相關性，”王說。“事實上，極化率可能是我們用來選擇電化學活性高的微生物的一種指標。”
王說，至少對於他們所測量的菌株，研究人員可以通過測量它們的極化率來測量它們的產電量——這個小組可以使用微流體技術輕鬆、有效、無損地跟蹤它們。
研究小組的合作者們目前正在使用這種方法來測試最近被確認為潛在發電細菌的新菌株。
王說:“如果相同的相關性趨勢也適用於這些新菌株，那麼這項技術就可以在清潔能源生產、生物修復和生物燃料生產方面有更廣泛的應用。”
這項研究得到了美國國家科學基金會和合作生物技術研究所的部分支持.
