生活在極端條件下需要?jiǎng)?chuàng)造性的適應(yīng)。對(duì)于存在于缺氧環(huán)境中的某些細(xì)菌種類，這意味著找到一種不涉及氧氣的呼吸方式。這些耐寒的微生物可以在礦井深處，湖底，甚至人體腸道中發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)形成了一種獨(dú)特的呼吸形式，包括排泄和抽出電子。換句話說(shuō)，這些微生物實(shí)際上可以產(chǎn)生電力。

科學(xué)家和工程師正在探索利用這些微生物發(fā)電廠運(yùn)行燃料電池和凈化污水的方法，以及其他用途。但是，確定微生物的電性能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)：細(xì)胞比哺乳動(dòng)物細(xì)胞小得多，而且在實(shí)驗(yàn)室條件下極難生長(zhǎng)。

現(xiàn)在麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種微流體技術(shù)，可以快速處理小的細(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，這種被稱為極化性的特性可用于以更安全，更有效的方式評(píng)估細(xì)菌的電化學(xué)活性。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的博士后Qianru Wang說(shuō)：“我們的愿景是挑選那些最強(qiáng)大的候選人來(lái)完成人類希望細(xì)胞做的理想任務(wù)?！?/span>

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授Cullen Buie補(bǔ)充說(shuō)：“最近的研究表明，可能存在更廣泛的細(xì)菌，這些細(xì)菌具有“發(fā)電”特性。因此，一種允許你探測(cè)這些生物的工具可能比我們想象的要重要得多。不僅僅是少數(shù)微生物可以做到這一點(diǎn)。”

Buie和Wang今天在Science Advances上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

產(chǎn)生電的細(xì)菌通過(guò)在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生電子，然后通過(guò)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，這一過(guò)程稱為細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移或EET。

用于探測(cè)細(xì)菌電化學(xué)活性的現(xiàn)有技術(shù)涉及培養(yǎng)大批細(xì)胞并測(cè)量EET蛋白的活性-這是一個(gè)細(xì)致，耗時(shí)的過(guò)程。其他技術(shù)需要使細(xì)胞破裂以純化和探測(cè)蛋白質(zhì)。Buie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(guò)去的10年里，他的團(tuán)隊(duì)一直在制造用小通道蝕刻的微流體芯片，通過(guò)它們流過(guò)微升的細(xì)菌樣本。每個(gè)通道都夾在中間以形成沙漏配置。當(dāng)在通道上施加電壓時(shí)，受壓部分-比通道的其余部分小約100倍-會(huì)對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生擠壓，使其比周圍場(chǎng)強(qiáng)100倍。電場(chǎng)的梯度產(chǎn)生稱為介電電泳的現(xiàn)象，或者推動(dòng)電池抵抗由電場(chǎng)引起的運(yùn)動(dòng)的力。因此，介電電泳可以在不同的施加電壓下排斥粒子或使其停留在軌道上，具體取決于粒子的表面特性。

包括Buie在內(nèi)的研究人員使用介電電泳根據(jù)一般性質(zhì)(如大小和種類)快速分選細(xì)菌。這一次，Buie想知道這項(xiàng)技術(shù)是否能夠消除細(xì)菌的電化學(xué)活動(dòng)-這是一種更為微妙的特性。

“基本上，人們正在使用介電電泳來(lái)分離與鳥(niǎo)類不同的細(xì)菌，例如青蛙和鳥(niǎo)類，而我們?cè)噲D區(qū)分青蛙兄弟姐妹-更小的差異，”Wang說(shuō)。

在他們的新研究中，研究人員使用他們的微流體設(shè)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產(chǎn)生電的“野生型”或天然細(xì)菌菌株，以及研究人員通過(guò)基因工程設(shè)計(jì)的幾種菌株?？偟膩?lái)說(shuō)，研究小組的目的是確定細(xì)菌的電學(xué)能力與介電泳力下微流體裝置的表現(xiàn)之間是否存在相關(guān)性。

研究小組將每個(gè)細(xì)菌菌株的非常小的微升樣品通過(guò)沙漏形的微流體通道流過(guò)，并緩慢地增加通道上的電壓，每秒一伏，從0到80伏。通過(guò)稱為粒子圖像測(cè)速的成像技術(shù)，他們觀察到所產(chǎn)生的電場(chǎng)推動(dòng)細(xì)菌細(xì)胞通過(guò)通道，直到它們接近受壓部分，在那里強(qiáng)大的磁場(chǎng)通過(guò)介電電泳推回細(xì)菌并將它們捕獲到位。

一些細(xì)菌在較低的施加電壓下被捕獲，而另一些則在較高的電壓下捕獲。Wang注意到每個(gè)細(xì)菌細(xì)胞的“誘捕電壓”，測(cè)量它們的細(xì)胞大小，然后用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算細(xì)胞的極化率-細(xì)胞在外部電場(chǎng)作用下形成電偶極子是多么容易。

根據(jù)她的計(jì)算，Wang發(fā)現(xiàn)電化學(xué)活性更高的細(xì)菌傾向于具有更高的極化率。她觀察到該組測(cè)試的所有細(xì)菌種類的這種相關(guān)性。

“我們有必要的證據(jù)表明極化率和電化學(xué)活性之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，”Wang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)活性的微生物的代理?！?/span>

Wang說(shuō)，至少對(duì)于他們測(cè)量的應(yīng)變，研究人員可以通過(guò)測(cè)量他們的極化率來(lái)測(cè)量他們的電力生產(chǎn)-這個(gè)小組可以使用他們的微流體技術(shù)輕松，有效和非破壞性地跟蹤。

該團(tuán)隊(duì)的合作者目前正在使用該方法測(cè)試最近被確定為潛在電力生產(chǎn)者的新細(xì)菌菌株。

“如果相同的相關(guān)趨勢(shì)代表那些較新的菌株，那么這種技術(shù)可以在清潔能源生產(chǎn)，生物修復(fù)和生物燃料生產(chǎn)中得到更廣泛的應(yīng)用，”Wang說(shuō)。

這項(xiàng)研究部分得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和協(xié)作生物技術(shù)研究所的支持，并得到了美國(guó)陸軍的資助。

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