Investigadores identifican bacterias capaces de producir electricidad

Los ingenieros han desarrollado una técnica de microfluidos que puede procesar rápidamente pequeñas muestras de bacterias y medir una propiedad específica que está altamente correlacionada con la capacidad de las bacterias para producir electricidad. Dicen que esta propiedad, conocida como polarizabilidad, puede usarse para evaluar la actividad electroquímica de una bacteria de una manera más segura y eficiente en comparación con las técnicas actuales.

Vivir en condiciones extremas requiere adaptaciones creativas. Para ciertas especies de bacterias que existen en ambientes privados de oxígeno, esto significa encontrar una manera de respirar que no implique oxígeno. Estos microbios resistentes, que se pueden encontrar en las profundidades de las minas, en el fondo de los lagos e incluso en el intestino humano, han desarrollado una forma única de respiración que consiste en excretar y expulsar electrones. En otras palabras, estos microbios pueden producir electricidad.

Los científicos e ingenieros están explorando formas de aprovechar estas plantas de energía microbiana para operar celdas de combustible y purificar las aguas residuales, entre otros usos, pero determinar las propiedades eléctricas de un microbio ha sido un desafío: las células son mucho más pequeñas que las células de mamíferos y son extremadamente difíciles de cultivar en condiciones de laboratorio.

Ahora los ingenieros de MIT han desarrollado una técnica de microfluidos que puede procesar rápidamente pequeñas muestras de bacterias y medir una propiedad específica que está altamente correlacionada con la capacidad de las bacterias para producir electricidad. Dicen que esta propiedad, conocida como polarizabilidad, puede usarse para evaluar la actividad electroquímica de una bacteria de una manera más segura y eficiente en comparación con las técnicas actuales.

"La visión es elegir a los candidatos más fuertes para hacer las tareas deseables que los humanos quieren que hagan las células", dice Qianru Wang, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.

"Hay trabajos recientes que sugieren que podría haber una gama mucho más amplia de bacterias que tienen propiedades productoras de electricidad. [...] Por lo tanto, una herramienta que te permita probar esos organismos podría ser mucho más importante de lo que pensábamos. No es solo un pequeño puñado de microbios lo que puede hacer esto",  agrega Cullen Buie, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT.

Solo entre ranas

Las bacterias que producen electricidad lo hacen generando electrones dentro de sus células, y luego transfiriendo esos electrones a través de sus membranas celulares a través de pequeños canales formados por proteínas de superficie en un proceso conocido como transferencia de electrones extracelular o EET.

Las técnicas existentes para explorar la actividad electroquímica de las bacterias, involucran el crecimiento de grandes lotes de células y la medición de la actividad de las proteínas EET, un proceso meticuloso que requiere mucho tiempo. Otras técnicas requieren la ruptura de una célula para purificar y probar las proteínas. Buie buscó un método más rápido y menos destructivo para evaluar la función eléctrica de las bacterias.

Durante los últimos 10 años, su grupo ha estado construyendo chips de microfluidos grabados con pequeños canales, a través de los cuales fluyen muestras de bacterias en microlitros. Cada canal se pellizca en el medio para formar una configuración de reloj de arena. Cuando se aplica un voltaje a través de un canal, la sección pinchada, aproximadamente 100 veces más pequeña que el resto del canal, ejerce una presión sobre el campo eléctrico, haciéndolo 100 veces más fuerte que el campo circundante.

El gradiente del campo eléctrico crea un fenómeno conocido como dielectroforesis, o una fuerza que empuja la célula contra su movimiento inducido por el campo eléctrico. Como resultado, la dielectroforesis puede repeler una partícula o detenerla en sus diferentes voltajes aplicados, dependiendo de las propiedades de la superficie de esa partícula.

Investigadores como Buie han utilizado la dielectroforesis para clasificar rápidamente las bacterias según sus propiedades generales, como el tamaño y la especie. En esta ocasión, Buie se preguntó si la técnica podría evaluar la actividad electroquímica de las bacterias, una propiedad mucho más sutil.

"Básicamente, las personas utilizaban la dielectroforesis para separar bacterias que eran tan diferentes como, por ejemplo, una rana de un ave, mientras que estamos tratando de distinguir entre los hermanos de rana, las diferencias más pequeñas", dice Wang.

Una correlación eléctrica

En su nuevo estudio, los investigadores utilizaron su configuración de microfluidos para comparar varias cepas de bacterias, cada una con una actividad electroquímica diferente y conocida. Las cepas incluían una cepa de "tipo salvaje" o una bacteria natural que produce activamente electricidad en las celdas de combustible microbiano, y varias cepas que los investigadores habían diseñado por ingeniería genética. En general, el equipo se propuso ver si había una correlación entre la capacidad eléctrica de una bacteria y cómo se comporta en un dispositivo microfluídico bajo una fuerza dielectroforética.

El equipo hizo fluir muestras muy pequeñas de microlitros de cada cepa bacteriana a través del canal de microfluidos en forma de reloj de arena y amplificó lentamente el voltaje a través del canal, un voltio por segundo, de 0 a 80 voltios. A través de una técnica de imágenes conocida como velocimetría de imagen de partículas, observaron que el campo eléctrico resultante propulsó células bacterianas a través del canal hasta que se acercaron a la sección pellizcada, donde el campo mucho más fuerte actuó para hacer retroceder a las bacterias mediante dielectroforesis y atraparlas en su lugar.

Algunas bacterias quedaron atrapadas a voltajes aplicados más bajos y otras a voltajes más altos. Wang tomó nota del "voltaje de captura" para cada célula bacteriana, midió el tamaño de sus células y luego usó una simulación por computadora para calcular la polarizabilidad de una célula: qué tan fácil es para una célula formar dipolos eléctricos en respuesta a un campo eléctrico externo .

A partir de sus cálculos, Wang descubrió que las bacterias que eran más activas electroquímicamente tendían a tener una mayor polarizabilidad y, de esta forma, observó esta correlación en todas las especies de bacterias que el grupo probó.

"Tenemos la evidencia necesaria para ver que hay una fuerte correlación entre la polarizabilidad y la actividad electroquímica", dice Wang. "De hecho, la polarizabilidad podría ser algo que podríamos usar como proxy para seleccionar microorganismos con alta actividad electroquímica".

Los colaboradores del equipo están utilizando actualmente el método para probar nuevas cepas de bacterias que recientemente se han identificado como posibles productores de electricidad.  @mundiario