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Una técnica identifica bacterias idóneas para producir electricidad

Una técnica identifica bacterias idóneas para producir electricidad

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

Una técnica identifica bacterias idóneas para producir electricidad

Los microbios examinados con un nuevo proceso de microfluidos podrían usarse en la generación de energía o en la limpieza ambiental.

Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desarrollado una técnica 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 realizar las tareas deseables que los humanos quieren que hagan las células", dice Qianru Wang, investigadora postdoctoral 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] --agrega en un comunicado Cullen Buie, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT--. 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".

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 mediante 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 necestian 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 diez 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 pistas a 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 nosotros estamos tratando de distinguir entre los hermanos de una rana, 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 células de combustible microbiano, y varias cepas que los científicos habían diseñado por ingeniería genética.

En general, el equipo, cuyo trabajo se publica en 'Science Advances', 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 imagen conocida como velocimetría de imágenes 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 a través de la 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 ordenador para calcular la polarizabilidad de una célula: cómo de 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 mayor polarizabilidad y 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 --afirma--. De hecho, la polarizabilidad podría ser algo que podríamos usar como un agente para seleccionar microorganismos con alta actividad electroquímica".

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