MIT 開發微射流技術,細菌產電鑑定效率提升

作者 | 發布日期 2019 年 01 月 15 日 18:47 | 分類 尖端科技 , 生物科技 follow us in feedly


利用細菌發電不是什麼新消息,但哪種細菌的發電效益最高?現有探測細菌電化學活性的技術耗時又麻煩,因此麻省理工學院團隊開發出一種微射流技術,可以快速測量與細菌發電能力高度相關的特定屬性。

對某些生活在缺氧環境如:礦井深處、湖底、人體腸道中的細菌來說,它們必須找到一種不靠氧氣呼吸的方法,久而久之,它們發展出獨特的發酵無氧呼吸方式,過程排出電子。換句話說,我們可以利用厭氧細菌的這道天然機制收集電力。

科學家正在探索各種應用細菌發電的領域,比如燃料電池、污水淨化等,NASA 甚至調查過細菌是否能為未來的太空任務提供動力。但是,想確定細菌的電性能首先就是一項挑戰:細菌比哺乳動物的細胞還要小,而且在實驗室條件下極難生長。為此,美國麻省理工學院工程師開發出一種微射流(microfluidic)技術,可以更有效、更安全的評估細菌電化學活性。

細菌於細胞中產生電子後,透過表面蛋白質形成的微小通道將電子轉移到細胞膜上,這過程稱為胞外電子轉移(extracellular electron transfer,EET),而現有探測細菌電化學活性的技術,一種需要培養大批細菌來測量胞外電子轉移過程的蛋白活性,另一種則需要讓細菌細胞破裂以探測蛋白質,兩者都複雜且耗時。

微射流技術加速檢測細菌發電能力

因此,麻省理工學院機械工程學副教授 Cullen Buie 團隊過去 10 年致力於開發微射流技術,如首圖所示,研究人員在一個沙漏型微射流通道中施加微小電壓(80V),觀察細菌經過中間狹窄通道時,電場推動細菌流過通道的狀況。

由於中間通道比其他區域狹窄,會擠壓電場使其分布不均勻,導致場內粒子出現介電泳(dielectrophoresis,DEP)現象,粒子在不同的施加電壓環境下可能被排斥或停留,具體取決於粒子的表面特性。過去,研究人員曾利用介電泳現象區分不同類型的細菌,現在研究人員想看看能否利用介電泳現象,測試不同細菌的電化學活動。

實驗發現,確實可利用細菌的發電能力來區分它們,一些細菌在較低電壓下被電位捕捉,而一些則在較高電壓下被捕捉,研究人員記錄細菌的大小與捕捉所需電壓後,可以計算出每個細菌的極化性(polarizability):細胞在電場中產生電的容易程度,並得出結論,極化性較高的細菌同時也更具電化學活性,是活躍的電力生產者。

接下來,團隊將開始利用這項技術測試那些被當作電力產出強打者的細菌,讓我們篩選發電細菌的過程更加快速簡單。新論文發表在《科學前緣》(Science Advances)期刊。

(首圖來源:麻省理工學院