17 juni 2020

Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik har utvecklat en organisk elektrokemisk transistor med vars hjälp de nästan i detalj kan mäta och studera det fenomen som kallas extracellulär elektronöverföring - bakterier som skickar ut elektriska laddningar.

Xenofon Strakosas, Gábor Méhes och Arghyamalya Roy.
Förste författare till artikeln i Advanced Science är förutom Gábor Méhes, i mitten, även postdoktor Xenofon Strakosas, , till vänster och till höger doktorand Arghyamalya Roy, alla vid Laboratoriet för organisk elektronik. Thor Balkhed
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 milli liter 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.

Extracellulär andning

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

Bakterien som deponerats på gateelektroden, sedd genom ett fluorescensmikroskop.Bakterien som deponerats på gateelektroden, sedd genom ett fluorescensmikroskop.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.

Matas med laktat

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.

Den organiska elektrokemiska transistorn.Den organiska elektrokemiska transistorn. Foto Thor Balkhed– 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 korresponderande författare till artikeln.

– 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.

Biocom Lab

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. 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.

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, doi 10.1002/advs.202000641

Den organiska elektrokemiska transistorn där forskarna fått Shewanella oneidensis att deponeras på den ena mikroelektroden.Den organiska elektrokemiska transistorn där forskarna skapat en syrefri miljö och fått Shewanella oneidensis att deponeras på den ena mikroelektroden. Foto Thor Balkhed


Kontakt

Fler nyheter från LOE

Person i labbrock och handskar häller en blå vätska på en glasyta.

Miljövänligare metod för att skapa organiska halvledare

Forskare vid LiU har utvecklat ett nytt miljövänligare sätt att skapa ledande bläck för användning i organisk elektronik som solceller och konstgjorda nervceller. Fynden banar väg för framtidens hållbara teknologi.

Två forskare i labbrock med handskar kopplar in sladdar till en bägare med vatten och en växt.

Elektronisk ”jord” ökar tillväxten hos grödor

Kornplantor växer i genomsnitt 50 procent mer när rotsystemet kan stimuleras elektriskt genom odlingssubstratet. Det visar forskare vid LiU som har utvecklat en elektriskt ledande ”jord” för hydroponi.

Halvmåneformad svart aerogel med vattendroppar.

Superlätt material kan bli nyckel för framtidens terahertz-teknik

Forskare vid LiU har visat att genomsläppligheten av terahertzstrålning genom en ledande aerogel kan regleras. En viktig egenskap för att kunna låsa upp fler användningsområden för terahertzvågor.

Forskning

Senaste nytt från LiU

Bild på en leende man i med glasögon och en blå skjorta

AI som gör nytta i samhället

Hur kan artificiell intelligens förbättra exempelvis lokaltrafik, vård och nationella transporter? En forskargrupp vid LiU arbetar med att utveckla AI för samhällsnytta.

En person tittar in i kameran.

Jan-Ingvar Jönsson ny ordförande för ECIU

Rektorn vid Linköpings universitet, Jan-Ingvar Jönsson, har blivit utsedd till ny ordförande för det europeiska nätverket för innovativa universitet i Europa, ECIU.

Porträtt på två tjejer som kramar varandra

Spex-SM i Linköping för första gången

I maj arrangeras SM i studentspex i Linköping för första gången. Holgerspexet och Linköpings Studentspex, universitetets två spexföreningar, laddar för tävlingen med ett gemensamt bidrag.