Vivir en condiciones extremas requiere adaptaciones creativas. Para ciertas especies de bacterias que existen en ambientes privados de oxígeno, esto significa encontrar una forma de respirar que no implique oxígeno. Estos microbios resistentes que se puede encontrar en las profundidades de las minas, en el fondo de los lagos, e incluso en el intestino humano, han desarrollado una forma única de respiración que implica excretar y bombear electrones. En otras palabras, estos microbios 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 las aguas residuales. entre otros usos. Pero determinar las propiedades eléctricas de un microbio ha sido un desafío:las células son mucho más pequeñas que las células de los mamíferos y extremadamente difíciles de cultivar en condiciones de laboratorio.

Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado una técnica de microfluidos 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, conocido como polarizabilidad, se puede utilizar para evaluar la actividad electroquímica de una bacteria de una manera más segura, de manera más eficiente en comparación con las técnicas actuales.

"La visión es seleccionar a los candidatos más fuertes para realizar las tareas deseables que los humanos quieren que hagan las células, "dice Qianru Wang, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

"Hay 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 permita sondear esos organismos podría ser mucho más importante de lo que pensamos. No es solo un pequeño puñado de microbios los que pueden hacer esto ".

Buie y Wang han publicado sus resultados hoy en Avances de la ciencia .

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 de superficie, en un proceso conocido como transferencia extracelular de electrones, o EET.

Las técnicas existentes para sondear la actividad electroquímica de las bacterias implican el cultivo de grandes lotes de células y la medición de la actividad de las proteínas EET, un proceso meticuloso, proceso que requiere mucho tiempo. Otras técnicas requieren la ruptura de una célula para purificar y probar las proteínas. Buie buscó un más rápido, método menos destructivo para evaluar la función eléctrica de las bacterias.

Durante los últimos 10 años, su grupo ha estado construyendo chips de microfluidos grabados con pequeños canales, a través del cual fluyen microlitros-muestras de bacterias. Cada canal está pellizcado en el medio para formar una configuración de reloj de arena. Cuando se aplica un voltaje a través de un canal, la sección pellizcada, aproximadamente 100 veces más pequeña que el resto del canal, aprieta 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 seco a diferentes voltajes aplicados, dependiendo de las propiedades superficiales de esa partícula.

Investigadores, incluido Buie, han utilizado la dielectroforesis para clasificar rápidamente las bacterias según las propiedades generales, como el tamaño y la especie. En esta época, Buie se preguntó si la técnica podría detectar la actividad electroquímica de las bacterias, una propiedad mucho más sutil.

"Básicamente, la gente usaba dielectroforesis para separar bacterias que eran tan diferentes como, decir, una rana de un pájaro, mientras que estamos tratando de distinguir entre hermanos rana:diferencias más pequeñas, "Dice Wang.

Una correlación eléctrica

En su nuevo estudio, los investigadores utilizaron su configuración de microfluidos para comparar varias cepas de bacterias, cada uno con un diferente, actividad electroquímica conocida. Las cepas incluían una cepa de bacterias "de tipo salvaje" o natural que produce activamente electricidad en las pilas de combustible microbianas, y varias cepas que los investigadores habían diseñado genéticamente. En general, el equipo tenía como objetivo ver si existía una correlación entre la capacidad eléctrica de una bacteria y cómo se comporta en un dispositivo de microfluidos bajo una fuerza dielectroforética.

El equipo fluyó muy pequeño, muestras de microlitros de cada cepa bacteriana a través del canal de microfluidos en forma de reloj de arena y aumentaron 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 velocimetría de imágenes de partículas, observaron que el campo eléctrico resultante impulsaba las células bacterianas a través del canal hasta que se acercaban a la sección pellizcada, donde el campo mucho más fuerte actuó para empujar a las bacterias a través de la dielectroforesis y atraparlas en su lugar.

Algunas bacterias quedaron atrapadas a voltajes aplicados más bajos, y otros a voltajes más altos. Wang tomó nota del "voltaje de captura" de cada célula bacteriana, midió el tamaño de sus celdas, y luego usó una simulación por computadora para calcular la polarizabilidad de una celda:lo fácil que es para una celda formar dipolos eléctricos en respuesta a un campo eléctrico externo.

De sus cálculos, Wang descubrió que las bacterias que eran más electroquímicamente activas tendían a tener una mayor polarización. Ella observó esta correlación en todas las especies de bacterias que probó el grupo.

"Tenemos la evidencia necesaria para ver que existe una fuerte correlación entre la polarización y la actividad electroquímica, "Dice Wang." De hecho, la polarizabilidad podría ser algo que podríamos usar como proxy para seleccionar microorganismos con alta actividad electroquímica ".

Wang dice que al menos por las tensiones que midieron, Los investigadores pueden medir su producción de electricidad midiendo su polarizabilidad, algo que el grupo puede fácilmente, eficientemente, y realizar un seguimiento no destructivo utilizando su técnica de microfluidos.

Los colaboradores del equipo están utilizando actualmente el método para probar nuevas cepas de bacterias que han sido identificadas recientemente 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 generación de energía limpia, biorremediación, y producción de biocombustibles, "Dice Wang.