新技术鉴定出产电细菌

微流体技术可根据细菌的发电能力快速对其进行分类。图像：王千如

使用新的微流体工艺筛选的微生物可用于发电或环境清洁。

生活在极端条件下需要创造性的适应。对于缺氧环境中存在的某些细菌，这意味着找到一种不涉及氧气的呼吸方式。这些强壮的微生物可以在矿井的深处，湖泊的底部，甚至在人类的肠道中找到，它们已经进化出一种独特的呼吸形式，涉及到电子的排出和抽出。换句话说，这些微生物实际上可以产生电。

科学家和工程师正在探索利用这些微生物发电厂运行燃料电池和净化污水等方法。但是，确定微生物的电特性一直是一个挑战：这些细胞比哺乳动物细胞小得多，并且在实验室条件下极难生长。

现在，麻省理工学院的工程师已经开发出一种微流体技术，该技术可以快速处理少量细菌样本，并确定与细菌发电能力高度相关的特定特性。他们说，与目前的技术相比，这种称为极化性的特性可用于以一种更安全，更有效的方式评估细菌的电化学活性。

麻省理工学院机械工程系的博士后王谦如说：“我们的愿景是挑选出最强大的人选来完成人类希望细胞完成的理想任务。”

麻省理工学院机械工程学副教授卡伦·布伊（Cullen Buie）补充说：“最近的工作表明，具有[发电]特性的细菌可能范围更广。”“因此，一种允许您探测这些生物的工具可能比我们想象的重要得多。不仅仅是少数微生物可以做到这一点。”

Buie和Wang今天在“科学进展”中发表了他们的结果。

就在青蛙之间

产生细菌的细菌通过在其细胞内产生电子，然后通过表面蛋白形成的微小通道，将这些电子通过细胞膜转移，这种过程称为细胞外电子转移或EET。

探测细菌电化学活性的现有技术涉及大量细胞的生长和EET蛋白活性的测定，这是一个细致而费时的过程。其他技术需要破裂细胞以纯化和探测蛋白质。Buie寻找一种更快，破坏性较小的方法来评估细菌的电功能。

在过去的10年中，他的团队一直在构建微流控芯片，这些微流控芯片通过小通道进行蚀刻，从而使微升细菌样本流过这些微流控芯片。每个通道在中间被捏成一个沙漏形。当在通道上施加电压时，收缩部分（比通道其余部分小100倍）会挤压电场，使其强度比周围的电场强100倍。电场的梯度会产生一种称为介电泳的现象，即一种将细胞推向由电场感应的运动的力。结果，介电电泳可以排斥颗粒或在不同的施加电压下将其停止在其轨迹中，具体取决于该颗粒的表面性质。

包括Buie在内的研究人员已使用介电电泳根据大小和种类等一般特性对细菌进行快速分选。这次，Buie想知道该技术是否可以抑制细菌的电化学活性，这是一种更为微妙的特性。

Wang说：“基本上，人们正在使用介电泳来分离与青蛙和鸟类一样不同的细菌，而我们正试图区分青蛙的同胞-细微的差异。”

电相关

在他们的新研究中，研究人员使用他们的微流体装置来比较各种细菌菌株，每种菌株具有已知的不同电化学活性。这些菌株包括能在微生物燃料电池中主动发电的“野生型”或自然细菌菌株，以及研究人员经过基因工程改造的几种菌株。总的来说，研究小组的目的是观察在介电泳力下，细菌的电能力与其在微流体装置中的行为之间是否存在相关性。

研究小组将每个细菌菌株的极小微升样品流过沙漏形微流体通道，并缓慢地将通道两端的电压从0伏增加到80伏，每秒增加一伏。通过一种称为粒子图像测速的成像技术，他们观察到所产生的电场推动细菌细胞通过通道，直到它们到达收缩区，在该处更强的电场通过介电泳将细菌推回并捕获到位。

一些细菌在较低的施加电压下被捕获，而另一些在较高的电压下被捕获。Wang记下了每个细菌细胞的“捕获电压”，测量了它们的细胞大小，然后使用计算机模拟来计算细胞的极化率-细胞响应外部电场形成电偶极子的难易程度。

通过她的计算，Wang发现具有更高电化学活性的细菌倾向于具有更高的极化率。她观察了该小组测试的所有细菌物种之间的这种相关性。

Wang说：“我们有必要的证据来证明极化率和电化学活性之间存在很强的相关性。”“实际上，极化率可能是我们可以用来选择具有高电化学活性的微生物的代名词。”

Wang说，至少对于他们所测量的应变，研究人员可以通过测量其极化率来评估其发电量-该小组可以使用他们的微流技术轻松，高效且无损地对其进行跟踪。

团队中的合作者目前正在使用该方法来测试新近被确认为潜在电力生产者的细菌菌株。

Wang说：“如果相同的趋势代表着这些新菌株，那么该技术将在清洁能源发电，生物修复和生物燃料生产中得到更广泛的应用。”

通过美国陆军的资助，这项研究得到了美国国家科学基金会和协作生物技术研究所的部分支持。

出版物：Wang Qianru等人，“微流体介电电泳阐明了微生物细胞包膜极化率与电化学活性之间的关系，”科学进展，2019年1月11日：卷5，没有。 1，eaat5664; DOI：10.1126 / sciadv.aat5664