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. Fotograf: 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

Jontronisk pump i tunna blodkärl.

Effektivare cancerbehandling med jontronisk pump

När låga doser av cancerläkemedel tillförs kontinuerligt nära elakartade hjärntumörer med så kallad jontronik minskar cancercelltillväxten drastiskt. Det har forskare vid LiU och det Medicinska universitetet i Graz visat.

Glasskiva med droppe belyst underifrån.

Nästa generations hållbara elektronik dopas med luft

Forskare vid LiU har utvecklat en ny metod där organiska halvledare kan bli mer ledande med hjälp av luft som störämne. Enligt forskarna är det ett stort steg mot framtidens billiga och hållbara organiska halvledare.

Knappbatteri på finger.

Miljövänligt och billigt batteri för låginkomstländer

Ett batteri gjort av zink och lignin som kan användas över 8000 gånger. Det har forskare vid LiU utvecklat med visionen att det billiga och hållbara batteriet ska kunna användas i länder där tillgången på elektricitet är begränsad.

Forskning

Senaste nytt från LiU

Florian Trybel

Samarbetet tänjer på fysikens gränser

Teoretikern Florian Trybel har en central roll i skapandet av nya material. Tillsammans med sin kollega inom experimentell forskning i Skottland siktar han på att utöka möjligheterna för material i extrema förhållanden.

Ung kvinna öppnar en dörr

Från teori till terapi

På Psykologmottagningen vid LiU får studenter på psykologprogrammet chans att göra skillnad på riktigt. Utöver en unik möjlighet att omsätta teori i praktik hjälper de patienter med allt från stresshantering, sömnbesvär, nedstämdhet, oro och fobier.

Kaiqian Wang.

Upptäckt om smärtsignalering kan bidra till bättre behandling

LiU-forskare har ringat in den exakta platsen på ett specifikt protein som finjusterar smärtsignalers styrka. Kunskapen kan användas för att utveckla läkemedel mot kronisk smärta som är mer effektiva och har färre biverkningar.