生活在極端條件下需要創造性的適應。對于存在于缺氧環境中的某些細菌種類，這意味著找到一種不涉及氧氣的呼吸方式。這些耐寒的微生物可以在礦井深處，湖底，甚至人體腸道中發現，已經形成了一種獨特的呼吸形式，包括排泄和抽出電子。換句話說，這些微生物實際上可以產生電力。
科學家和工程師正在探索利用這些微生物發電廠運行燃料電池和凈化污水的方法，以及其他用途。但是，確定微生物的電性能是一項挑戰：細胞比哺乳動物細胞小得多，而且在實驗室條件下極難生長。
現在麻省理工學院的工程師已經開發出一種微流體技術，可以快速處理小的細菌樣本，并測量與細菌發電能力高度相關的特定屬性。他們說，與現有技術相比，這種被稱為極化性的特性可用于以更安全，更有效的方式評估細菌的電化學活性。
麻省理工學院機械工程系的博士后Qianru Wang說：“我們的愿景是挑選那些最強大的候選人來完成人類希望細胞做的理想任務。”
麻省理工學院機械工程副教授Cullen Buie補充說：“最近的研究表明，可能存在更廣泛的細菌，這些細菌具有“發電”特性。因此，一種允許你探測這些生物的工具可能比我們想象的要重要得多。不僅僅是少數微生物可以做到這一點。”
Buie和Wang今天在Science Advances上發表了他們的研究結果。
產生電的細菌通過在細胞內產生電子，然后通過表面蛋白質形成的微小通道將這些電子轉移到細胞膜上，這一過程稱為細胞外電子轉移或EET。
用于探測細菌電化學活性的現有技術涉及培養大批細胞并測量EET蛋白的活性-這是一個細致，耗時的過程。其他技術需要使細胞破裂以純化和探測蛋白質。Buie尋找一種更快，破壞性更小的方法來評估細菌的電功能。
在過去的10年里，他的團隊一直在制造用小通道蝕刻的微流體芯片，通過它們流過微升的細菌樣本。每個通道都夾在中間以形成沙漏配置。當在通道上施加電壓時，受壓部分-比通道的其余部分小約100倍-會對電場產生擠壓，使其比周圍場強100倍。電場的梯度產生稱為介電電泳的現象，或者推動電池抵抗由電場引起的運動的力。因此，介電電泳可以在不同的施加電壓下排斥粒子或使其停留在軌道上，具體取決于粒子的表面特性。
包括Buie在內的研究人員使用介電電泳根據一般性質(如大小和種類)快速分選細菌。這一次，Buie想知道這項技術是否能夠消除細菌的電化學活動-這是一種更為微妙的特性。
“基本上，人們正在使用介電電泳來分離與鳥類不同的細菌，例如青蛙和鳥類，而我們試圖區分青蛙兄弟姐妹-更小的差異，”Wang說。
在他們的新研究中，研究人員使用他們的微流體設置來比較各種細菌菌株，每種菌株都具有不同的已知電化學活性。這些菌株包括在微生物燃料電池中積極產生電的“野生型”或天然細菌菌株，以及研究人員通過基因工程設計的幾種菌株。總的來說，研究小組的目的是確定細菌的電學能力與介電泳力下微流體裝置的表現之間是否存在相關性。
研究小組將每個細菌菌株的非常小的微升樣品通過沙漏形的微流體通道流過，并緩慢地增加通道上的電壓，每秒一伏，從0到80伏。通過稱為粒子圖像測速的成像技術，他們觀察到所產生的電場推動細菌細胞通過通道，直到它們接近受壓部分，在那里強大的磁場通過介電電泳推回細菌并將它們捕獲到位。
一些細菌在較低的施加電壓下被捕獲，而另一些則在較高的電壓下捕獲。Wang注意到每個細菌細胞的“誘捕電壓”，測量它們的細胞大小，然后用計算機模擬計算細胞的極化率-細胞在外部電場作用下形成電偶極子是多么容易。
根據她的計算，Wang發現電化學活性更高的細菌傾向于具有更高的極化率。她觀察到該組測試的所有細菌種類的這種相關性。
“我們有必要的證據表明極化率和電化學活性之間存在很強的相關性，”Wang說。“事實上，極化率可能是我們可以用來選擇具有高電化學活性的微生物的代理。”
Wang說，至少對于他們測量的應變，研究人員可以通過測量他們的極化率來測量他們的電力生產-這個小組可以使用他們的微流體技術輕松，有效和非破壞性地跟蹤。
該團隊的合作者目前正在使用該方法測試最近被確定為潛在電力生產者的新細菌菌株。
“如果相同的相關趨勢代表那些較新的菌株，那么這種技術可以在清潔能源生產，生物修復和生物燃料生產中得到更廣泛的應用，”Wang說。
這項研究部分得到了美國國家科學基金會和協作生物技術研究所的支持，并得到了美國陸軍的資助。
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