Изучение бактерий и их значения для мира природы, а также для человеческого общества и здоровья – это растущая область исследований, поскольку постоянно открываются новые бактерии. Человеческое тело содержит больше бактерий, чем человеческих клеток, а миллилитр пресной воды может вместить до миллиона бактерий. Дыхание в нормальной клетке человека и у многих бактерий происходит в результате 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 обнаружены 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. Этот процесс известен как внеклеточный перенос электронов или внеклеточное дыхание.
Это явление в настоящее время используется в нескольких электрохимических системах в таких приложениях, как очистка воды, биосенсоры и топливные элементы. Добавление бактерий – это экологически чистый способ 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 употреблении мышьяка, арабинозы (типа сахара) или органических кислот. Подобная бактерия недавно была обнаружена в желудочно-кишечной системе человека.
Однако мы не понимаем в деталях, что происходит, когда бактерии высвобождают заряды. Чтобы уловить и измерить количество высвобождаемого заряда, электроды помещают в микробные системы.
Отдельная бактерия дает очень слабый сигнал, и поэтому до сих пор исследователям приходилось довольствоваться изучением внеклеточного переноса электронов в больших системах с большим количеством бактерий.
Чтобы улучшить наше понимание, ученые из Лаборатории органической электроники Университета Линчёпинга использовали сочетание микроэлектроники, электрохимии и микробиологии. Они разработали органический электрохимический транзистор, в котором они смогли нанести Shewanella oneidensis на один из микроэлектродов с площадью поверхности всего четверть квадратного миллиметра.
Усиление сигнала, возникающего 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 скармливали бактериям лактат.
«Мы показали, что можем обнаружить очень небольшие различия во внеклеточном переносе электронов, другими словами, количество заряда, выделяемого бактериями. Еще одним плюсом является то, что мы можем добиться очень короткого времени отклика и получить стабильный сигнал в течение десяти минут », – говорит главный исследователь Габор Мехес, который вместе со старшим преподавателем Элени Ставриниду является автором-корреспондентом статьи.
«Это первый шаг к пониманию внеклеточного переноса электронов у бактерий, занимающих лишь небольшую площадь с помощью транзистора, и того, как происходит преобразование 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 Biocom Lab в Лаборатории органической электроники и финансируется Vinnova, Шведским исследовательским советом, Шведским фондом стратегических исследований, Валленбергским центром науки о древесине и Европейским исследовательским советом, ERC.
Есть надежда, что это исследование приведет к оптимизации микробных электрохимических систем, которые собирают энергию, и улучшит наше понимание, например, серьезных желудочно-кишечных заболеваний. Заглядывая в далекое будущее, исследователи выдвинули идею использования бактерий, дышащих соединениями железа, для поддержания жизни человека на бескислородной планете Марс.