Vivre dans des conditions extrêmes nécessite des adaptations créatives. Pour certaines espèces de bactéries qui existent dans des environnements privés d'oxygène, cela signifie trouver une façon de respirer qui n'implique pas d'oxygène. Ces microbes robustes, que l'on peut trouver au plus profond des mines, au fond des lacs, et même dans l'intestin humain, ont développé une forme unique de respiration qui consiste à excréter et à pomper des électrons. En d'autres termes, ces microbes peuvent effectivement produire de l'électricité.

Les scientifiques et les ingénieurs explorent des moyens d'exploiter ces centrales microbiennes pour faire fonctionner des piles à combustible et purifier les eaux usées, entre autres utilisations. Mais déterminer les propriétés électriques d'un microbe a été un défi :les cellules sont beaucoup plus petites que les cellules de mammifères et extrêmement difficiles à cultiver dans des conditions de laboratoire.

Aujourd'hui, les ingénieurs du MIT ont développé une technique microfluidique capable de traiter rapidement de petits échantillons de bactéries et d'évaluer une propriété spécifique fortement corrélée à la capacité des bactéries à produire de l'électricité. Ils disent que cette propriété, connu sous le nom de polarisabilité, peut être utilisé pour évaluer l'activité électrochimique d'une bactérie de manière plus sûre, manière plus efficace par rapport aux techniques actuelles.

"La vision est de sélectionner les candidats les plus forts pour effectuer les tâches souhaitables que les humains veulent que les cellules fassent, " dit Qianru Wang, un post-doctorat au département de génie mécanique du MIT.

"Des travaux récents suggèrent qu'il pourrait y avoir une gamme beaucoup plus large de bactéries qui ont des propriétés [productrices d'électricité], " ajoute Cullen Buie, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. "Ainsi, un outil qui vous permet de sonder ces organismes pourrait être beaucoup plus important que nous le pensions. Il n'y a pas qu'une petite poignée de microbes qui peuvent faire ça."

Buie et Wang ont publié leurs résultats aujourd'hui dans Avancées scientifiques .

Juste entre les grenouilles

Les bactéries qui produisent de l'électricité le font en générant des électrons dans leurs cellules, puis transférant ces électrons à travers leurs membranes cellulaires via de minuscules canaux formés par des protéines de surface, dans un processus connu sous le nom de transfert extracellulaire d'électrons, ou EET.

Les techniques existantes pour sonder l'activité électrochimique des bactéries impliquent la croissance de grands lots de cellules et la mesure de l'activité des protéines EET - une méthode méticuleuse, processus chronophage. D'autres techniques nécessitent la rupture d'une cellule afin de purifier et de sonder les protéines. Buie a cherché un plus rapide, méthode moins destructive pour évaluer la fonction électrique des bactéries.

Depuis 10 ans, son groupe a construit des puces microfluidiques gravées avec de petits canaux, à travers lesquels ils s'écoulent des microlitres d'échantillons de bactéries. Chaque canal est pincé au milieu pour former une configuration en sablier. Lorsqu'une tension est appliquée sur un canal, la section pincée - environ 100 fois plus petite que le reste du canal - exerce une pression sur le champ électrique, ce qui le rend 100 fois plus fort que le champ environnant. Le gradient du champ électrique crée un phénomène appelé diélectrophorèse, ou une force qui pousse la cellule contre son mouvement induit par le champ électrique. Par conséquent, la diélectrophorèse peut repousser une particule ou l'arrêter dans son élan à différentes tensions appliquées, en fonction des propriétés de surface de cette particule.

Des chercheurs, dont Buie, ont utilisé la diélectrophorèse pour trier rapidement les bactéries en fonction de leurs propriétés générales, comme la taille et l'espèce. Cette fois-ci, Buie s'est demandé si la technique pouvait détecter l'activité électrochimique des bactéries, une propriété beaucoup plus subtile.

"Essentiellement, les gens utilisaient la diélectrophorèse pour séparer des bactéries aussi différentes que, dire, une grenouille d'un oiseau, alors que nous essayons de faire la distinction entre les frères et sœurs grenouilles - des différences plus petites, " dit Wang.

Une corrélation électrique

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé leur configuration microfluidique pour comparer différentes souches de bactéries, chacun avec un différent, activité électrochimique connue. Les souches comprenaient une souche bactérienne de "type sauvage" ou naturelle qui produit activement de l'électricité dans les piles à combustible microbiennes, et plusieurs souches que les chercheurs avaient génétiquement modifiées. En général, l'équipe visait à voir s'il existait une corrélation entre la capacité électrique d'une bactérie et son comportement dans un dispositif microfluidique sous une force diélectrophorétique.

L'équipe coulait très petite, échantillons de microlitre de chaque souche bactérienne à travers le canal microfluidique en forme de sablier et lentement amplifié la tension à travers le canal, un volt par seconde, de 0 à 80 volts. Grâce à une technique d'imagerie connue sous le nom de vélocimétrie par images de particules, ils ont observé que le champ électrique résultant propulsait les cellules bactériennes à travers le canal jusqu'à ce qu'elles s'approchent de la section pincée, où le champ beaucoup plus fort a agi pour repousser les bactéries par diélectrophorèse et les piéger en place.

Certaines bactéries ont été piégées à des tensions appliquées inférieures, et d'autres à des tensions plus élevées. Wang a pris note de la "tension de piégeage" pour chaque cellule bactérienne, mesuré la taille de leurs cellules, et ensuite utilisé une simulation informatique pour calculer la polarisabilité d'une cellule - à quel point il est facile pour une cellule de former des dipôles électriques en réponse à un champ électrique externe.

De ses calculs, Wang a découvert que les bactéries qui étaient plus électrochimiquement actives avaient tendance à avoir une polarisabilité plus élevée. Elle a observé cette corrélation entre toutes les espèces de bactéries testées par le groupe.

"Nous avons les preuves nécessaires pour voir qu'il existe une forte corrélation entre la polarisabilité et l'activité électrochimique, " dit Wang. " En fait, la polarisabilité pourrait être quelque chose que nous pourrions utiliser comme proxy pour sélectionner des micro-organismes ayant une activité électrochimique élevée. »

Wang dit que, au moins pour les contraintes qu'ils ont mesurées, les chercheurs peuvent évaluer leur production d'électricité en mesurant leur polarisabilité, ce que le groupe peut facilement, efficacement, et suivre de manière non destructive en utilisant leur technique microfluidique.

Les collaborateurs de l'équipe utilisent actuellement la méthode pour tester de nouvelles souches de bactéries récemment identifiées comme productrices potentielles d'électricité.

"Si la même tendance de corrélation représente ces nouvelles souches, alors cette technique peut avoir une application plus large, dans la production d'énergie propre, bioremédiation, et la production de biocarburants, " dit Wang.