Vivere in condizioni estreme richiede adattamenti creativi. Per alcune specie di batteri che esistono in ambienti privi di ossigeno, questo significa trovare un modo per respirare che non coinvolga l'ossigeno. Questi microbi resistenti, che si trova nel profondo delle miniere, in fondo ai laghi, e anche nell'intestino umano, hanno evoluto una forma unica di respirazione che comporta l'escrezione e il pompaggio di elettroni. In altre parole, questi microbi possono effettivamente produrre elettricità.

Scienziati e ingegneri stanno esplorando modi per sfruttare queste centrali elettriche microbiche per far funzionare le celle a combustibile e purificare le acque reflue, tra gli altri usi. Ma definire le proprietà elettriche di un microbo è stata una sfida:le cellule sono molto più piccole delle cellule dei mammiferi ed estremamente difficili da coltivare in condizioni di laboratorio.

Ora gli ingegneri del MIT hanno sviluppato una tecnica microfluidica in grado di elaborare rapidamente piccoli campioni di batteri e misurare una proprietà specifica altamente correlata alla capacità dei batteri di produrre elettricità. Dicono che questa proprietà, nota come polarizzabilità, può essere utilizzato per valutare l'attività elettrochimica di un batterio in modo più sicuro, modo più efficiente rispetto alle tecniche attuali.

"La visione è quella di scegliere quei candidati più forti per svolgere i compiti desiderabili che gli umani vogliono che le cellule svolgano, "dice Qianru Wang, un postdoc presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT.

"C'è un lavoro recente che suggerisce che potrebbe esserci una gamma molto più ampia di batteri che hanno proprietà [che producono elettricità], "aggiunge Cullen Buie, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "Così, uno strumento che ti permetta di sondare quegli organismi potrebbe essere molto più importante di quanto pensassimo. Non è solo una piccola manciata di microbi che può farlo".

Buie e Wang hanno pubblicato i loro risultati oggi in Progressi scientifici .

Solo tra le rane

I batteri che producono elettricità lo fanno generando elettroni all'interno delle loro cellule, quindi trasferendo quegli elettroni attraverso le loro membrane cellulari attraverso minuscoli canali formati da proteine ​​di superficie, in un processo noto come trasferimento di elettroni extracellulari, o EET.

Le tecniche esistenti per sondare l'attività elettrochimica dei batteri implicano la crescita di grandi lotti di cellule e la misurazione dell'attività delle proteine ​​EET:una meticolosa, processo che richiede tempo. Altre tecniche richiedono la rottura di una cellula per purificare e sondare le proteine. Buie ha cercato un più veloce, metodo meno distruttivo per valutare la funzione elettrica dei batteri.

Negli ultimi 10 anni, il suo gruppo ha costruito chip microfluidici incisi con piccoli canali, attraverso cui scorrono microlitri-campioni di batteri. Ogni canale è pizzicato al centro per formare una configurazione a clessidra. Quando viene applicata una tensione attraverso un canale, la sezione pizzicata, circa 100 volte più piccola del resto del canale, mette a dura prova il campo elettrico, rendendolo 100 volte più forte del campo circostante. Il gradiente del campo elettrico crea un fenomeno noto come dielettroforesi, oppure una forza che spinge la cellula contro il suo moto indotto dal campo elettrico. Di conseguenza, la dielettroforesi può respingere una particella o fermarla nelle sue tracce a diverse tensioni applicate, a seconda delle proprietà della superficie di quella particella.

Ricercatori tra cui Buie hanno utilizzato la dielettroforesi per ordinare rapidamente i batteri in base alle proprietà generali, come taglia e specie. Questa volta, Buie si chiedeva se la tecnica potesse scoprire l'attività elettrochimica dei batteri, una proprietà molto più sottile.

"Fondamentalmente, le persone usavano la dielettroforesi per separare batteri tanto diversi quanto, dire, una rana da un uccello, considerando che stiamo cercando di distinguere tra fratelli rana, differenze minime, " dice Wang.

Una correlazione elettrica

Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno usato la loro configurazione microfluidica per confrontare vari ceppi di batteri, ognuno con un diverso, nota attività elettrochimica. I ceppi includevano un ceppo di batteri "di tipo selvatico" o naturale che produce attivamente elettricità nelle celle a combustibile microbiche, e diversi ceppi che i ricercatori avevano geneticamente modificato. Generalmente, il team mirava a vedere se esistesse una correlazione tra l'abilità elettrica di un batterio e come si comporta in un dispositivo microfluidico sotto una forza dielettroforetica.

La squadra scorreva molto piccola, campioni di microlitri di ciascun ceppo batterico attraverso il canale microfluidico a forma di clessidra e aumentando lentamente la tensione attraverso il canale, un volt al secondo, da 0 a 80 volt. Attraverso una tecnica di imaging nota come velocimetria a immagine di particelle, hanno osservato che il campo elettrico risultante spingeva le cellule batteriche attraverso il canale fino a quando non si avvicinavano alla sezione pizzicata, dove il campo molto più forte ha agito per respingere i batteri tramite dielettroforesi e intrappolarli in posizione.

Alcuni batteri sono rimasti intrappolati a tensioni applicate più basse, e altri a tensioni più elevate. Wang ha preso nota della "tensione di intrappolamento" per ogni cellula batterica, misurato le dimensioni delle loro cellule, e poi ha utilizzato una simulazione al computer per calcolare la polarizzabilità di una cellula:quanto è facile per una cellula formare dipoli elettrici in risposta a un campo elettrico esterno.

Dai suoi calcoli, Wang ha scoperto che i batteri che erano più elettrochimicamente attivi tendevano ad avere una maggiore polarizzabilità. Ha osservato questa correlazione tra tutte le specie di batteri che il gruppo ha testato.

"Abbiamo le prove necessarie per vedere che c'è una forte correlazione tra la polarizzabilità e l'attività elettrochimica, " dice Wang. "In effetti, la polarizzabilità potrebbe essere qualcosa che potremmo usare come proxy per selezionare microrganismi con un'elevata attività elettrochimica".

Wang dice che, almeno per gli sforzi che hanno misurato, i ricercatori possono misurare la loro produzione di elettricità misurando la loro polarizzabilità, qualcosa che il gruppo può facilmente, efficiente, e tracciano in modo non distruttivo usando la loro tecnica microfluidica.

I collaboratori del team stanno attualmente utilizzando il metodo per testare nuovi ceppi di batteri che sono stati recentemente identificati come potenziali produttori di elettricità.

"Se la stessa tendenza di correlazione corrisponde a quei ceppi più recenti, allora questa tecnica può avere un'applicazione più ampia, nella generazione di energia pulita, biorimedio, e produzione di biocarburanti, " dice Wang.