Transistor mäter hur bakterier andas ut elektroner

Bakterier och deras betydelse för miljön, samhället och vår hälsa är ett växande forskningsfält, allt eftersom nya bakterier upptäcks. Det finns fler bakterier än celler i en människokropp och i en milliliter färskvatten finns så mycket som en miljon bakterier. I en vanlig mänsklig cell och i många bakterier sker andningen genom biokemiska reaktioner där någon förening, ofta glukos, reagerar med syre och sedan bryts ner till koldioxid och vatten. I processen omvandlas också energi till en form som cellen kan använda. I syrefria miljöer finns bakterier som lever av organiska föreningar, som laktat, och som istället för att andas ut vatten släpper ifrån sig elektriska laddningar.

Bakterier ger billig elektricitet

Fenomenet kallas extracellulär elektronöverföring eller extracellulär andning och används i dag i ett antal elektrokemiska system, till exempel för vattenrening, biosensorer och bränsleceller. Att tillsätta bakterier fungerar som en miljövänlig metod att omvandla kemisk energi till elektricitet.

En vanlig sådan bakterie inom forskningen är Shewanella oneidensis som tidigare forskning visat producerar elektrisk ström när de matas med arsenik, arabinos (ett socker) eller organiska syror. En liknande bakterie har nyligen också upptäckts i människans tarmsystem.

Men kunskapen och förståelsen för vad som egentligen händer när bakterier skickar ut laddningar är låg. För att kunna ta tillvara, och mäta mängden laddningar som skickas ut, placeras elektroder i de mikrobiella systemen. En enskild bakterie ger en mycket svag signal och hittills har forskarna fått nöja sig med att studera den extracellulära elektronöverföringen i stora system med mängder av bakterier.

Förstärkt elektrisk signal

För att öka förståelsen har nu forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet tagit hjälp av en kombination av mikroelektronik, elektrokemi och mikrobiologi. De har utvecklat en organisk elektrokemisk transistor där de också fått Shewanella oneidensis att deponeras på den ena mikroelektroden, en yta som är stor som en kvarts kvadratmillimeter. Tack vare den inneboende förstärkningen av signalen i transistorn kan de studera mer i detalj vad som händer när olika ämnen tillsätts till systemet. I en artikel publicerad i Advanced Science har de matat bakterien med laktat.

– Vi har visat att vi kan detektera mycket små skillnader i den extracellulära elektronöverföringen, det vill säga hur mycket laddning som skickas ut av bakterien. Vi har även snabba svarstider, vi får en stabil signal inom tio minuter, intygar förste forskningsingenjör Gábor Méhes, som tillsammans med universitetslektor Eleni Stavrinidou, är huvudförfattare till artikeln.

Kan stötta mänskligt liv på Mars

– Det här är ett första steg mot att lära oss förstå den extracellulära andningen i bakterien, på bara en liten yta och med hjälp av en transistor, och hur omvandlingen går till mellan bakterien och elektroden. Ett mål för framtiden är att vi vill lära oss hur bakterier interagerar med varandra liksom med andra celler och de kemiska ämnen som finns i människans tarmsystem, säger Gábor Méhes.

Förhoppningen är att i framtiden kunna optimera mikrobiologiska elektrokemiska system som skördar energi liksom att öka förståelsen för exempelvis besvärliga mag- och tarmsjukdomar. I forskarvärlden talas det också om att långt in i framtiden ta hjälp av bakterier som andas ut järnföreningar för att stötta mänskligt liv på den syrefria planeten Mars.

Fotnot:

Forskningen bedrivs inom ramen för Biocom Lab vid Laboratoriet för organisk elektronik och är finansierad av bland andra Vinnova, Vetenskapsrådet, Stiftelsen strategisk forskning, Wallenberg Wood Science Center och Europeiska vetenskapsrådet, ERC.

Vetenskaplig artikel:

Organic microbial electrochemical transistor monitoring extracellular electron transfer. (Gábor Méhes, Arghyamalya Roy, Xenofon Strakosas, Magnus Berggren, Eleni Stavrinidou and Daniel T. Simon). Advanced Science 2020