生活在极端条件下需要创造性的适应。对于存在于缺氧环境中的某些细菌种类，这意味着找到一种不涉及氧气的呼吸方式。这些耐寒的微生物可以在矿井深处，湖底，甚至人体肠道中发现，已经形成了一种独特的呼吸形式，包括排泄和抽出电子。换句话说，这些微生物实际上可以产生电力。
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的方法，以及其他用途。但是，确定微生物的电性能是一项挑战：细胞比哺乳动物细胞小得多，而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，可以快速处理小的细菌样本，并测量与细菌发电能力高度相关的特定属性。他们说，与现有技术相比，这种被称为极化性的特性可用于以更安全，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Qianru Wang说：“我们的愿景是挑选那些最强大的候选人来完成人类希望细胞做的理想任务。”
麻省理工学院机械工程副教授Cullen Buie补充说：“最近的研究表明，可能存在更广泛的细菌，这些细菌具有“发电”特性。因此，一种允许你探测这些生物的工具可能比我们想象的要重要得多。不仅仅是少数微生物可以做到这一点。”
Buie和Wang今天在Science Advances上发表了他们的研究结果。
产生电的细菌通过在细胞内产生电子，然后通过表面蛋白质形成的微小通道将这些电子转移到细胞膜上，这一过程称为细胞外电子转移或EET。
用于探测细菌电化学活性的现有技术涉及培养大批细胞并测量EET蛋白的活性-这是一个细致，耗时的过程。其他技术需要使细胞破裂以纯化和探测蛋白质。Buie寻找一种更快，破坏性更小的方法来评估细菌的电功能。
在过去的10年里，他的团队一直在制造用小通道蚀刻的微流体芯片，通过它们流过微升的细菌样本。每个通道都夹在中间以形成沙漏配置。当在通道上施加电压时，受压部分-比通道的其余部分小约100倍-会对电场产生挤压，使其比周围场强100倍。电场的梯度产生称为介电电泳的现象，或者推动电池抵抗由电场引起的运动的力。因此，介电电泳可以在不同的施加电压下排斥粒子或使其停留在轨道上，具体取决于粒子的表面特性。
包括Buie在内的研究人员使用介电电泳根据一般性质(如大小和种类)快速分选细菌。这一次，Buie想知道这项技术是否能够消除细菌的电化学活动-这是一种更为微妙的特性。
“基本上，人们正在使用介电电泳来分离与鸟类不同的细菌，例如青蛙和鸟类，而我们试图区分青蛙兄弟姐妹-更小的差异，”Wang说。
在他们的新研究中，研究人员使用他们的微流体设置来比较各种细菌菌株，每种菌株都具有不同的已知电化学活性。这些菌株包括在微生物燃料电池中积极产生电的“野生型”或天然细菌菌株，以及研究人员通过基因工程设计的几种菌株。总的来说，研究小组的目的是确定细菌的电学能力与介电泳力下微流体装置的表现之间是否存在相关性。
研究小组将每个细菌菌株的非常小的微升样品通过沙漏形的微流体通道流过，并缓慢地增加通道上的电压，每秒一伏，从0到80伏。通过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，直到它们接近受压部分，在那里强大的磁场通过介电电泳推回细菌并将它们捕获到位。
一些细菌在较低的施加电压下被捕获，而另一些则在较高的电压下捕获。Wang注意到每个细菌细胞的“诱捕电压”，测量它们的细胞大小，然后用计算机模拟计算细胞的极化率-细胞在外部电场作用下形成电偶极子是多么容易。
根据她的计算，Wang发现电化学活性更高的细菌倾向于具有更高的极化率。她观察到该组测试的所有细菌种类的这种相关性。
“我们有必要的证据表明极化率和电化学活性之间存在很强的相关性，”Wang说。“事实上，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理。”
Wang说，至少对于他们测量的应变，研究人员可以通过测量他们的极化率来测量他们的电力生产-这个小组可以使用他们的微流体技术轻松，有效和非破坏性地跟踪。
该团队的合作者目前正在使用该方法测试最近被确定为潜在电力生产者的新细菌菌株。
“如果相同的相关趋势代表那些较新的菌株，那么这种技术可以在清洁能源生产，生物修复和生物燃料生产中得到更广泛的应用，”Wang说。
这项研究部分得到了美国国家科学基金会和协作生物技术研究所的支持，并得到了美国陆军的资助。
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