生活在极端条件下需要创造性的适应。对于一些存在于缺氧环境中的细菌物种来说，这意味着找到一种无氧呼吸的方法。这些耐寒微生物可以在矿井深处、湖底甚至人体肠道中找到，并形成了独特的呼吸形式，包括排泄和提取电子。换句话说，这些微生物实际上可以发电。
科学家和工程师正在探索如何利用这些微生物发电厂来运行燃料电池和净化污水，以及其他用途。然而，确定微生物的电特性是一个挑战：细胞比哺乳动物细胞小得多，在实验室条件下生长极其困难。
现在，麻省理工学院的工程师开发了一种微流体技术，可以快速处理小型细菌样本，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，这种称为极化的特性可以更安全有效地用于评估细菌的电化学活性。
麻省理工学院机械工程系博士后王倩茹说：“我们的愿景是选出最有实力的候选人，完成人类希望细胞完成的理想任务。”
麻省理工学院机械工程副教授Cullen Buie补充道：“最近的研究表明，可能存在更广泛的细菌，它们具有(发电)特性。”“因此，一个能让你探测到这些生物的工具可能比我们想象的要重要得多。不是只有少数微生物能做到这一点。”
布依和王今天在发表了他们的研究成果。
就在青蛙之间。
发电细菌在细胞中产生电子，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。这个过程被称为细胞外电子转移或EET。
检测细菌电化学活性的现有技术包括培养大量细胞和测量EET蛋白的活性——这是一个细致而耗时的过程。其他技术需要细胞分裂来纯化和检测蛋白质。Buie正在寻找一种更快、破坏性更小的方法来评估细菌的电功能。
在过去的10年里，他的团队一直在制作蚀刻有小通道的微流控芯片，微量升的细菌样本可以通过这些通道流动。每个通道夹在中间，形成一个沙漏形结构。当向通道施加电压时，挤压部分——比通道的其余部分小大约100倍——将挤压电场，使其比周围的场强强100倍。电场的梯度产生一种称为介电泳的现象，或一种推动电池抵抗电场引起的运动的力。因此，介电泳可以根据粒子的表面特性，在不同的外加电压下排斥粒子或将粒子保持在轨道上。
包括Buie在内的研究人员使用介电泳技术，根据细菌的一般特性，如大小和种类，对细菌进行快速分类。这一次，Buie想知道这项技术能否消除细菌的电化学活性——这是一个更微妙的特征。
王说：“基本上，人们在用介电泳分离不同于鸟类的细菌，比如青蛙和鸟类，而我们在试图区分青蛙兄弟姐妹——较小的差异。
电相关
在他们的新研究中，研究人员使用他们的微流体装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发电的“野生”或天然细菌菌株，以及研究人员已经进行基因改造的几种菌株。一般来说，该团队的目标是确定在介电泳力作用下，细菌的电能与其在微流体装置中的性能之间是否存在相关性。
研究小组将每种细菌菌株的非常小的微升样品通过沙漏形微流体通道，并缓慢地将通过通道的电压(每秒1伏)从0增加到80伏。通过被称为粒子图像测速术的成像技术，他们观察到产生的电场推动细菌细胞穿过通道，直到它们接近压力部分，在压力部分，更强的区域推动细菌，并通过介电泳将它们捕获在适当的位置。
一些细菌在较低的外加电压下被捕获，而另一些细菌在较高的电压下被捕获。王注意到每个细菌细胞的“捕获电压”，测量它们的细胞大小，然后通过计算机模拟计算细胞极化率——细胞在外部电场下形成电偶极子是多么容易。
根据她的计算，王发现电化学活性较高的细菌往往具有较高的极化率。她观察了这个组中所有被测细菌种类的相关性。
“我们有必要的证据表明极化率和电化学活性之间有很强的相关性，”王说。“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一种试剂。”
王说，至少对于他们测量的应变，研究人员可以通过测量它们的极化率来测量它们的功率产生——这个团队可以用他们的微流体技术轻松、有效和无损地跟踪。
该团队的合作者目前正在使用这种方法来测试最近被确定为潜在电力生产商的新菌株。
“如果相同的相关趋势代表了那些更新的菌株，那么这项技术可以更广泛地应用于清洁能源生产、生物修复和生物燃料生产，”王说。
这项研究得到了美国国家科学基金会和生物技术合作研究所的部分支持，并得到了美国陆军的支持。
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