Aşırı zor koşullarda yaşamak; yaratıcı uyarlamalar gerektiriyor. Oksijenden yoksun ortamlarda bulunan belirli bakteri türleri de bu koşullarda nefes almak için farklı yollar geliştiriyor. Madenlerin derinliklerinde, göllerin dibinde ve hatta insan bağırsağında bulunabilen bu sert mikroplar; elektronların salgılanmasını ve pompalanmasını içeren, benzersiz bir nefes alma şekli geliştirmiştir. Başka bir deyişle, bu mikroplar aslında elektrik üretebilir.
Bilim insanları ve mühendisler; yakıt hücrelerini çalıştırmak ve atık suları arıtmak için bu mikrobik enerji santrallerini araştırıyorlar. Ancak bir mikrobun elektriksel özelliklerini tespit etmek zor olmuştur: Hücreleri; memeli hücrelerinden çok daha küçüktür ve laboratuvar koşullarında büyümesi oldukça zordur.
MIT mühendisleri, küçük bakteri örneklerini hızlı bir şekilde işleyebilen ve bakterinin elektrik üretme kabiliyeti ile yüksek oranda ilişkili olan belirli bir özelliği ölçebilen, bir mikroakışkan tekniği geliştirdi. Polarize edilebilirlik olarak bilinen bu özelliğin; bir bakterinin elektrokimyasal aktivitesini mevcut tekniklere kıyasla, daha güvenli ve daha verimli bir şekilde değerlendirmek için kullanılabileceğini söylüyorlar.
MIT Makine mühendisliği Profesörü Cullen Buie: “Elektrik üreten özelliklere sahip, çok daha geniş bir bakteri yelpazesi olabileceğini düşündüren son çalışmalar var. Böylece, bu organizmaları araştırmanıza izin veren bir araç; düşündüğümüzden çok daha önemli olabilir.”
Elektrik üreten bakteriler; bunu hücrelerinde elektron üreterek yaparlar. Daha sonra bu elektronları hücre zarları boyunca yüzey proteinleri tarafından oluşturulan, küçük kanallar yoluyla, hücre dışı elektron transferi veya EET olarak bilinen bir işlemde transfer ederler.
Bakterinin elektrokimyasal aktivitesini araştırmak için; mevcut teknikler büyük hücre yığınlarının büyümesini ve EET proteinlerinin aktivitesinin ölçülmesini içerir. Bu son derece titiz ve zaman alan bir işlemdir. Diğer teknikler; proteinleri saflaştırmak ve problamak için bir hücrenin yırtılmasını gerektirir. Araştırmacı Buie; bakterinin elektriksel işlevini değerlendirmek için daha hızlı, daha az yıkıcı bir yöntem aradı.
Araştırmacılar son 10 yıldır; mikrolitre-bakteri örneklerinin aktığı küçük kanallarla kazınmış mikroakışkan çipleri inşa ediyor. Bu çipler; bir kum saati yapısını oluşturmak için her bir kanal ortasına sıkıştırılmıştır. Bir kanala voltaj uygulandığında, sıkışan kısım; kanalın geri kalanından yaklaşık 100 kat daha küçüktür. Elektrik alanın gradyanı; dielektroforez olarak bilinen bir fenomen veya hücreyi elektrik alanın neden olduğu harekete karşı iten bir kuvvet yaratır. Sonuç olarak, dielektroforez; bir parçacığı püskürtebilir veya parçanın yüzey özelliklerine bağlı olarak, uygulanan farklı gerilimlerde izlerini durdurabilir.
Buie ve diğer araştırmacılar; bakterileri büyüklük ve türler gibi genel özelliklere göre hızlı bir şekilde sıralamak için dielektroforezi kullandılar. Bu kez, Buie; tekniğin bakterinin elektrokimyasal aktivitesini, yani çok daha ince bir özelliği yok edip edemeyeceğini merak etti.
Elektriksel Bir Korelasyon
Yeni çalışmalarında araştırmacılar; her biri farklı ve bilinen bir elektrokimyasal aktivite ile çeşitli bakteri suşlarını karşılaştırmak için mikroakışkan kurulumlarını kullandılar. Suşlar*; aktif olarak mikrobik yakıt hücrelerinde elektrik üreten bir “vahşi tip” ya da “doğal” bakteri suşunu ve araştırmacıların genetik olarak tasarladığı çeşitli suşları içermiştir. Genel olarak, ekip; bir bakterinin elektriksel kabiliyeti ile dielektroforetik bir kuvvet altında mikroakışkan bir cihazda nasıl davrandığı arasında bir korelasyon olup olmadığını görmeyi amaçladı.
Ekip, kum saati şeklindeki mikroakışkan kanal boyunca her bakteri suşunun çok küçük, mikrolitre örneklerini akıttı. Kanaldaki voltajı yavaşça, (saniyede bir volt attırarak) 0 ile 80 volt arasında artırdı. Parçacık görüntü velosimetrisi olarak bilinen bir görüntüleme tekniği sayesinde; ortaya çıkan elektrik alanın bakteri hücrelerini kanal içinden geçirerek, kısaltılmış bölgeye yaklaşana kadar, daha güçlü olan alanın bakteri üzerinde dielektroforez yoluyla geri itmek ve bunları yerinde tutmak için hareket ettiğini gözlemlediler.
Bazı bakteriler daha düşük voltajlarda; bazıları ise daha yüksek voltajlarda tutulur. Wang, her bakteri hücresi için “yakalama voltajı”nı not etti, hücre boyutlarını ölçtü ve daha sonra bir hücrenin polarize edilebilirliğini hesaplamak için bir bilgisayar simülasyonu kullandı. Bu şekilde bir hücrenin harici bir elektrik alanına yanıt olarak, elektrik dipolleri oluşturması kolaylaştı.
Wang, hesaplamalarından; elektrokimyasal olarak daha aktif olan bakterilerin daha yüksek bir polarize edilebilirliğe sahip olma eğiliminde olduğunu keşfetti. Bu korelasyonu, grubun test ettiği tüm bakteri türleri arasında gözlemledi.
Wang: “Polarize edilebilirlik ve elektrokimyasal aktivite arasında güçlü bir ilişki olduğunu görmek için gerekli kanıtlara sahibiz. Aslında, polarize edilebilirlik; yüksek elektrokimyasal aktiviteye sahip mikroorganizmaları seçmek için vekil olarak kullanabileceğimiz bir şey olabilir.”
Ekip; şu anda potansiyel elektrik üreticileri olarak tanımlanan yeni bakteri türlerini test etmek için, bu yöntemi kullanıyor.
Wang: “Aynı korelasyon eğilimi bu yeni suşları ifade ediyorsa, o zaman bu tekniğin temiz enerji üretimi, biyolojik ıslah ve biyoyakıt üretiminde daha geniş bir uygulaması olabilir.”
*Suş: Bir bakteri veya virüsun farklı alttürlerinin, aralarında genetik farklılıklar bulunan gruplarıdır.
