Измерение электрической активности бактерий с помощью микроэлектродов

Ученые из Лаборатории органической электроники Университета Линчёпинга разработали органический электрохимический транзистор, который позволяет детально измерять и изучать явление внеклеточного переноса электронов, при котором бактерии выделяют электроны.

Дыхание во многих бактериях происходит через биохимические реакции с участием кислорода. Однако в бескислородных средах существуют бактерии, которые метаболизируют органические соединения, такие как лактат, и вместо воды выделяют в окружающую среду электрические заряды — побочный продукт метаболизма. Этот процесс известен как внеклеточный перенос электронов, или внеклеточное дыхание.

Явление уже используется в электрохимических системах для очистки воды, в биосенсорах и топливных элементах. Добавление бактерий — это экологичный способ преобразования химической энергии в электричество.

Одна из часто изучаемых бактерий — Shewanella oneidensis. Однако детали процесса выделения зарядов до конца не ясны. Сигнал от одной бактерии очень слаб, поэтому до сих пор исследователи могли изучать внеклеточный перенос электронов только в больших системах с огромным количеством микроорганизмов.

Ученые применили комбинацию микроэлектроники, электрохимии и микробиологии. Они создали органический электрохимический транзистор, на одном из микроэлектродов которого (площадью всего 0,25 мм²) разместили Shewanella oneidensis. Усиление сигнала в транзисторе позволило детально изучить, что происходит при добавлении в систему различных веществ. Эксперименты, в которых бактерии кормили лактатом, описаны в статье в Advanced Science.

«Мы показали, что можем обнаруживать очень малые различия во внеклеточном переносе электронов, то есть в количестве заряда, выделяемого бактериями. Ещё один плюс — мы можем достичь очень короткого времени отклика и получить стабильный сигнал в течение десяти минут», — говорит ведущий исследователь Габор Мэхеш, соответствующий автор статьи.

Это первый шаг к пониманию внеклеточного переноса электронов у бактерий на малой площади с помощью транзистора и процесса преобразования между бактерией и электродом. Одна из будущих целей — понять, как бактерии взаимодействуют друг с другом, а также с другими клетками и химическими веществами в желудочно-кишечном тракте человека.