تکنیکی که باکتری های تولید کننده الکتریسیته را شناسایی می‌کند

مهندسین یک تکنیک میکروسیالی به وجود آورده‌اند که می تواند به سرعت نمونه های کوچکی از باکتری ها را پردازش کرده و یک ویژگی خاص را  که مربوط به توانایی تولید برق می‌شود را اندازه‌گیری کند. آنها می گویند که این شیوه که تحت عنوان قطبش شناخته می‌شود، می تواند در مقایسه با تکنیک‌های کنونی برای ارزیابی فعالیت الکتروشیمیایی یک باکتری کارآمدتر و امن‌تر باشد.

زندگی در شرایط سخت نیاز به سازگاری خلاق دارد. برای گونه های خاصی از باکتری هایی که در محیط های دارای فقر اکسیژن وجود دارند، این به معنی پیدا کردن روشی برای تنفس است  که شامل اکسیژن نشود. این میکروب های مقاوم، که می توانند در اعماق معادن، در پایین دریاچه ها، و حتی در دستگاه گوارش انسان یافت شوند یک شکل منحصر به فرد تنفس که شامل دفع و پمپاژ الکترون است را تکامل داده‌اند. به عبارت دیگر، این میکروب ها در واقع می توانند الکتریسیته تولید کنند.

دانشمندان و مهندسان در حال بررسی روشی برای مهار این نیروگاه میکروبی به جهت استفاده در  سلول های سوختی و پاک کردن آب و فاضلاب و کاربرد های دیگر هستند. اما مهار کردن خواص الکتریکی میکروب یک چالش محسوب می‌شد: سلولها بسیار کوچکتر از سلول های پستانداران بوده و رشد دادن آنها در شرایط آزمایشگاهی بسیار دشوارتر می باشد.

 حال مهندسان MIT یک تکنیک میکروسیالی ایجاد کرده اند که می تواند به سرعت نمونه های کوچکی از باکتری ها را پردازش کرده و یک مشخصه خاص را که با توانایی باکتری در تولید الکتریسیته در ارتباط است، اندازه‌گیری کند. آنها می گویند که این شیوه، که تحت عنوان قطبش (polarizability) شناخته می‌شود، می تواند در مقایسه با تکنیک‌های کنونی برای ارزیابی فعالیت الکتروشیمیایی یک باکتری کارآمدتر و امن‌تر باشد.

کیانورو وانگ، فوق دکتری در دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه MIT   می‌گوید: هدف، انتخاب قویترین گزینه‌ها برای انجام کارهای موردنظر انسان‌ها توسط سلول‌ها است.

 کالن بویی، استادیار مهندسی مکانیک در MIT  می‌افزاید: پژوهش اخیری نشان می دهد که ممکن است طیف بسیار گسترده تری از باکتری هایی که دارای خواص [تولید برق] هستند وجود داشته باشند. بنابراین، ابزاری که امکان بررسی آن موجودات را می‌دهد می تواند بسیار مهم تر از آنچه ما فکر می‌کردیم باشد. این‌ها فقط تعدادی میکروب که می توانند این کار را انجام دهد نیست.

بویی و وانگ نتایج پژوهششان  را در Science Advances منتشر کردند.

تنها بین قورباغه ها

باکتریی که الکتریسیته تولید می‌کند این کار را با تولید الکترون در داخل سلول خود انجام می‌دهد، و سپس آن الکترون را از طریق کانال های کوچک تشکیل شده توسط پروتئینهای سطح، در یک فرایند شناخته شده به عنوان انتقال الکترون خارج سلولی، یا EET از غشای سلولی خود عبور می‌دهد.

روشهای کنونی برای کاوش فعالیت الکتروشیمیایی باکتری شامل رشد دسته زیادی از سلول ها و اندازه گیری فعالیت EET   پروتئین است که یک فرایند ظریف و  وقت گیر است. تکنیک های دیگر به منظور پالایش و بررسی پروتئین نیازمند گسیختن و پارگی سلول هستند. بویی به دنبال شیوه‌ای سریع‌تر و کم‌تر مخرب  برای ارزیابی عملکرد الکتریکی باکتری بود.

طی 10 سال اخیر، گروه او در حال ساختن تراشه میکروسیالی دارای کانال های کوچک بودند، که از در میان این کانالها نمونه های میکرولیتری از باکتری جریان داشت. هر کانال در وسط باریک شده است تا فرم یک پیکربندی ساعت شنی به خود بگیرد – این قسمت باریک حدود 100 برابر نازکتر از بقیه کانال است- – هنگامی که یک ولتاژ در سراسر یک کانال اعمال می‌شود بخش باریکتر بر میدان الکتریکی فشار وارد می‌کند، و آن را 100 برابر قوی تر از میدان اطراف آن می‌کند. گرادیان میدان الکتریکی پدیده‌ای را موجب می‌شود که تحت عنوان dielectrophoresis شناخته شده است، یا همان نیرویی که به سلول در برابر حرکت ناشی از میدان الکتریکی ایجاد شده وارد می‌شود. در نتیجه، dielectrophoresis می تواند در ولتاژهای مختلف با توجه به صفات متفاوت سطح ذره، یک ذره را در مسیر عبور داده  یا متوقف کند.

محققان از جمله بویی از  dielectrophoresis استفاده کرده اند تا بتوانند به سرعت باکتری را با توجه به خواص عمومی‌اش، از قبیل اندازه و گونه مرتب کنند. این بار، بویی می‌خواست بداند که آیا می‌توان این شیوه را برای یک کار به مراتب ظریف‌تر  یعنی پی بردن به فعالیت الکتریکی باکتری به کار برد یا خیر.

وانگ می‌گوید: اساسا، از dielectrophoresis برای جداسازی باکتری‌هایی  که تفاوت‌شان در حد قورباغه و پرنده است به کار گرفته می‌شوند، در حالی کار ما مثل این است که تلاش کنیم تفاوت بین گونه های مختلف قورباغه را تشخیص دهیم یعنی تفاوت‌های ظریف‌تر.

یک همبستگی الکتریکی

 این محققان در مطالعه جدیدشان، از شیوه میکروسیالی خود برای مقایسه گونه های مختلف باکتری هایی که هر کدام با یک فعالیت الکتروشیمیایی متفاوت شناخته شده‌اند استفاده نمودند. سویه ها شامل یک «نوع وحشی»  یا گونه طبیعی از باکتری ها که در سلول های سوختی میکروبی الکتریسیته تولید می‌کنند، و چند سویه دیگر که توسط محققان، مهندسی ژنتیکی بر آنها اعمال شده بود، صورت گرفت. به طور کلی، هدف این تیم تشخیصاین بود که آیا رابطه‌ای بین توانایی های الکتریکی باکتری و رفتار آن در یک دستگاه میکروسیالی تحت نیروی dielectrophoretic وجود دارد یا خیر.

تیم، جریان بسیار کوچک، نمونه های  میکرولیتری از هر گونه باکتری را از کانال میکروسیالی ساعت شنی شکل عبور داد و به آرامی ولتاژ را در سراسر کانال به شکل یک ولت در ثانیه، از 0 تا 80 ولت بالا برد. آنها از طریق یک تکنیک تصویربرداری تحت عنوان سرعت سنجی تصویر ذرات، به بررسی میدان الکتریکی ناشی از سلول های باکتریایی هنگام عبور از کانال تا زمان رسیدن به بخش باریک کانال که جریان قوی‌تری از طریق dielectrophoresis  آنها را به عقب می‌راند پرداختند.

برخی از باکتری ها در ولتاژ اعمال شده پایین تر به دام افتادند و شماری دیگر در  ولتاژهای بالاتر. وانگ «ولتاژ به دام افتادن» را برای هر سلول باکتری همراه با اندازه گیری سایز آنها مشخص کرد و سپس با استفاده از یک شبیه سازی کامپیوتری میزان قطبش  یک سلول را تعیین نمود— یعنی مشخص کردن اینکه تا چه حد برای یک سلول شکل گیری دوقطبی الکتریکی در واکنش به یک جریان خارجی راحت است.

 براساس محاسبات او، وانگ کشف کرد که باکتری هایی که از لحاظ الکتروشیمیایی بیشتر فعال بودند تمایل بالاتری به قطبش داشتند. او این رابطه را در تمام گونه‌های باکتری گروه آزمایش مشاهده کرد.

وانگ می‌گوید: ما مدارک لازم برای ارتباط قوی بین قطبش و فعالیت الکتروشیمیایی را در اختیار داریم. در واقع، قطبش چیزی است که شاید ما بتوانیم به عنوان یک پیشنیاز برای انتخاب میکروارگانیسم دارای فعالیت الکتروشیمیایی بالا استفاده کنیم.

وانگ می گوید که، حداقل برای گونه هایی که آنها اندازه گیری کردند، محققان می توانند تولید الکتریسیته را با اندازه گیری قطبش ارزیابی کنند —  کاری که این گروه می تواند به راحتی و به شکل کارآمد،  با استفاده از روشی غیر تهاجمی از طریق تکنیک میکروسیالی خود انجام دهند.

در حال حاضر اعضای این تیم با استفاده از روش مذکور به سنجش گونه های جدید باکتری هایی که اخیرا به عنوان مولد بالقوه الکتریسیته شناسایی شده‌اند مشغول هستند.

وانگ می‌گوید: اگر همین روند ارتباط برای این گونه های جدیدتر نیز صدق کند، آنگاه این روش می تواند کاربردی گسترده تر، در تولید انرژی پاک، تولید زیست‌دارو و سوخت های زیستی داشته باشد.

این پژوهش از طریق بنیاد ملی علوم و موسسه همکاری بیوتکنولوژی، از طریق کمک مالی ارتش ایالات متحده حمایت می شد.

Story Source:

Materials provided by Massachusetts Institute of Technology. Original written by Jennifer Chu. Note: Content may be edited for style and length.

Journal Reference:

Qianru Wang, A. Andrew D. Jones Iii, Jeffrey A. Gralnick, Liwei Lin and Cullen R. Buie. Microfluidic dielectrophoresis illuminates the relationship between microbial cell envelope polarizability and electrochemical activity. Science Advances, 2019 DOI: 10.1126/sciadv.aat5664