Vivir en condiciones extremas requiere adaptaciones creativas. Para ciertas especies de bacterias que existen en entornos privados de oxígeno, esto significa encontrar una forma de respirar que no involucre oxígeno. Estos microbios resistentes, que se pueden encontrar en las profundidades de las minas, enEl fondo de los lagos, e incluso en el intestino humano, ha desarrollado una forma única de respiración que implica excretar y bombear electrones. En otras palabras, estos microbios realmente pueden producir electricidad.
Los científicos e ingenieros están explorando formas de aprovechar estas plantas de energía microbiana para hacer funcionar las celdas de combustible y purificar el agua residual, entre otros usos. Pero precisar las propiedades eléctricas de un microbio ha sido un desafío: las celdas son mucho más pequeñas que las de mamíferos y extremadamente difícilescrecer en condiciones de laboratorio.
Ahora los ingenieros del MIT han desarrollado una técnica microfluídica que puede procesar rápidamente pequeñas muestras de bacterias y medir una propiedad específica que está altamente correlacionada con la capacidad de las bacterias para producir electricidad. Dicen que esta propiedad, conocida como polarización, puede usarse para evaluar la bacteriaactividad electroquímica de una manera más segura y eficiente en comparación con las técnicas actuales.
"La visión es elegir a los candidatos más fuertes para hacer las tareas deseables que los humanos quieren que hagan las células", dice Qianru Wang, un postdoc en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.
"Existe un trabajo reciente que sugiere que podría haber una gama mucho más amplia de bacterias que tienen propiedades [productoras de electricidad]", agrega Cullen Buie, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Por lo tanto, una herramienta que le permite probar esoslos organismos podrían ser mucho más importantes de lo que pensábamos. No solo un pequeño puñado de microbios puede hacer esto ".
Buie y Wang han publicado sus resultados hoy en Avances científicos .
Solo entre ranas
Las bacterias que producen electricidad lo hacen generando electrones dentro de sus células, luego transfiriendo esos electrones a través de sus membranas celulares a través de pequeños canales formados por proteínas superficiales, en un proceso conocido como transferencia de electrones extracelular, o EET.
Las técnicas existentes para sondear la actividad electroquímica de las bacterias implican el crecimiento de grandes lotes de células y medir la actividad de las proteínas EET, un proceso meticuloso y lento. Otras técnicas requieren la ruptura de una célula para purificar y sondear las proteínas. Buie buscóun método más rápido y menos destructivo para evaluar la función eléctrica de las bacterias.
Durante los últimos 10 años, su grupo ha estado construyendo chips microfluídicos grabados con pequeños canales, a través de los cuales fluyen muestras de bacterias en microlitros. Cada canal se pellizca en el medio para formar una configuración de reloj de arena. Cuando se aplica un voltaje a través de uncanal, la sección pellizcada, aproximadamente 100 veces más pequeña que el resto del canal, ejerce una presión sobre el campo eléctrico, haciéndolo 100 veces más fuerte que el campo circundante. El gradiente del campo eléctrico crea un fenómeno conocido como dielectroforesis,o una fuerza que empuja a la célula contra su movimiento inducido por el campo eléctrico. Como resultado, la dielectroforesis puede repeler una partícula o detenerla en sus pistas a diferentes voltajes aplicados, dependiendo de las propiedades de la superficie de esa partícula.
Los investigadores, incluido Buie, han utilizado la dielectroforesis para clasificar rápidamente las bacterias según las propiedades generales, como el tamaño y las especies. Esta vez, Buie se preguntó si la técnica podría eliminar la actividad electroquímica de las bacterias, una propiedad mucho más sutil.
"Básicamente, las personas estaban usando dielectroforesis para separar bacterias que eran tan diferentes como, por ejemplo, una rana de un pájaro, mientras que estamos tratando de distinguir entre hermanos de rana, diferencias más pequeñas", dice Wang.
una correlación eléctrica
En su nuevo estudio, los investigadores utilizaron su configuración microfluídica para comparar varias cepas de bacterias, cada una con una actividad electroquímica diferente y conocida. Las cepas incluían una cepa de bacterias "de tipo salvaje" o natural que produce electricidad activamente en combustible microbianocélulas y varias cepas que los investigadores habían diseñado genéticamente. En general, el equipo tuvo como objetivo ver si había una correlación entre la capacidad eléctrica de una bacteria y cómo se comporta en un dispositivo microfluídico bajo una fuerza dielectroforética.
El equipo fluyó muestras muy pequeñas de microlitros de cada cepa bacteriana a través del canal microfluídico en forma de reloj de arena y amplificó lentamente el voltaje a través del canal, un voltio por segundo, de 0 a 80 voltios. A través de una técnica de imagen conocida como imagen de partículasvelocimetría, observaron que el campo eléctrico resultante impulsaba las células bacterianas a través del canal hasta que se acercaban a la sección pinzada, donde el campo mucho más fuerte actuaba para empujar a las bacterias a través de la dielectroforesis y atraparlas en su lugar.
Algunas bacterias quedaron atrapadas en voltajes aplicados más bajos, y otras en voltajes más altos. Wang tomó nota del "voltaje de captura" para cada célula bacteriana, midió el tamaño de sus células y luego usó una simulación por computadora para calcular la polarización de una célula: cómoes fácil para una célula formar dipolos eléctricos en respuesta a un campo eléctrico externo.
De sus cálculos, Wang descubrió que las bacterias que eran más activas electroquímicamente tendían a tener una mayor polarización. Observó esta correlación en todas las especies de bacterias que el grupo probó.
"Tenemos la evidencia necesaria para ver que existe una fuerte correlación entre la polarización y la actividad electroquímica", dice Wang. "De hecho, la polarización podría ser algo que podríamos usar como un proxy para seleccionar microorganismos con alta actividad electroquímica".
Wang dice que, al menos por las cepas que midieron, los investigadores pueden medir su producción de electricidad midiendo su polarización, algo que el grupo puede rastrear de manera fácil, eficiente y no destructiva utilizando su técnica de microfluidos.
Los colaboradores del equipo están utilizando actualmente el método para probar nuevas cepas de bacterias que recientemente se han identificado como potenciales productores de electricidad.
"Si la misma tendencia de correlación representa esas cepas más nuevas, entonces esta técnica puede tener una aplicación más amplia, en la generación de energía limpia, la biorremediación y la producción de biocombustibles", dice Wang.
Esta investigación fue apoyada en parte por la National Science Foundation y el Institute for Collaborative Biotechnologies, a través de una subvención del Ejército de los EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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