Ученые из Лаборатории органической электроники Университета Линчепинга разработали органический электрохимический транзистор, который они могут использовать для измерения и детального изучения явления, известного как внеклеточный перенос электронов, при котором бактерии выделяют электроны, сообщает портал ascania-nova.org.
Изучение бактерий и их значение для мира природы, а также для человеческого общества и здоровья, является растущей областью исследований, так как постоянно обнаруживаются новые бактерии. Человеческое тело содержит больше бактерий, чем человеческие клетки, и миллилитр пресной воды может содержать до миллиона бактерий. Дыхание в нормальной человеческой клетке и во многих бактериях происходит посредством биохимических реакций, в которых соединение, часто глюкоза, реагирует с кислородом с образованием углекислого газа и воды. Во время процесса энергия преобразуется в форму, которую клетка может использовать. В бескислородной среде обнаруживаются бактерии, которые метаболизируют органические соединения, такие как лактат, и вместо образования воды они выделяют или вдыхают электрические заряды, являющиеся побочным продуктом метаболизма, в окружающую среду. Процесс известен как внеклеточный перенос электронов,
В настоящее время это явление используется в нескольких электрохимических системах в таких областях, как очистка воды, биосенсоры и топливные элементы. Добавление бактерий является экологически чистым способом преобразования химической энергии в электричество.
Одной из таких бактерий, часто используемых в исследованиях, является Shewanella oneidensis, которая, как показали предыдущие исследования, вырабатывает электрический ток при питании мышьяком, арабинозой (тип сахара) или органическими кислотами. Подобная бактерия была недавно обнаружена в желудочно-кишечной системе человека.
Мы, однако, не понимаем подробно, что происходит, когда бактерии высвобождают заряды. Для захвата и измерения количества высвобождаемого заряда электроды помещаются в микробные системы. Отдельная бактерия дает очень слабый сигнал, и, таким образом, до настоящего времени исследователям приходилось довольствоваться изучением внеклеточного переноса электронов в больших системах с большим количеством бактерий.
Чтобы улучшить наше понимание, ученые из Лаборатории органической электроники в Университете Линчепинга использовали комбинацию микроэлектроники, электрохимии и микробиологии. Они разработали органический электрохимический транзистор, в котором им удалось нанести Shewanella oneidensis на один из микроэлектродов с площадью поверхности всего четверть квадратного миллиметра. Усиление сигнала, которое происходит в транзисторе, позволяет им подробно изучить, что происходит, когда в систему добавляются различные вещества. Они описывают в статье в Advanced Science эксперименты, в которых они давали лактат бактериям.
«Мы показали, что мы можем обнаружить очень небольшие различия во внеклеточном переносе электронов, другими словами, количество заряда, выделяемого бактериями. Еще один плюс заключается в том, что мы можем достичь очень короткого времени отклика и получить стабильный сигнал в течение десяти минут», говорит главный инженер-исследователь Габор Мехес, который вместе со старшим преподавателем Элени Ставриниду является автором статьи.
«Это первый шаг к пониманию внеклеточного переноса электронов у бактерий, занимающих только небольшую площадь с помощью транзистора, и того, как происходит конверсия между бактериями и электродом», - говорит Габор Мехес. «Одна из будущих целей - узнать, как бактерии взаимодействуют друг с другом, а также с другими клетками и химическими веществами в желудочно-кишечном тракте человека».
Исследование проводится в рамках лаборатории биокомбината в Лаборатории органической электроники и финансируется Винновой, Шведским исследовательским советом, Шведским фондом стратегических исследований, Научным центром Валленберга Вуд и Европейским исследовательским советом ERC.
Есть надежда, что исследования приведут к оптимизации микробных электрохимических систем, которые собирают энергию, и улучшат наше понимание, например, серьезных желудочно-кишечных заболеваний. Заглядывая далеко в будущее, среди исследователей возникла идея использовать бактерии, которые дышат соединениями железа, для поддержания человеческой жизни на бескислородной планете Марс.
Предыдущая статья
Следущая статья
