אפיון תחבורה אלקטרון דרך חיים Biofilms
Summary
פרוטוקול למדידת מוליכות חשמלית של חיים חיידקים פתוגנים המועברים במזון תחת תנאים רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית מוצג.
Abstract
כאן נדגים את השיטה של gating אלקטרוכימי שימוש כדי לאפיין מוליכות חשמלית של תוצרת אלקטרודה חיידקים פתוגנים המועברים במזון תחת תנאים רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית. 1 מדידות אלה מבוצעים על החיים biofilms במדיום מימית שימוש במקור ולנקז אלקטרודות בדוגמת על משטח זכוכית בתצורה מיוחדת המכונה מערך interdigitated אלקטרודה (אידה). ממבנה biofilm גדל על פני הפער חיבור המקור, ניקוז. פוטנציאל מוחלים על האלקטרודות (ES ו- ED) יצירת זרם המקור-ניקוז (ISD) דרך biofilm בין האלקטרודות. התלות של מוליכות חשמלית על פוטנציאל שער (הממוצע של פוטנציאל המקור, ניקוז, EG = [ED + ES] / 2) נקבעת על-ידי שינוי בשער פוטנציאליים ומדידת לטמיון-המקור הנוצרת באופן שיטתי הנוכחי. התלות של מוליכות על שער פוטנציאליים מספק מכניסטית מידע אודות תהליך הובלה אלקטרון חוץ-תאית הבסיסית של מוליכות חשמלית של biofilm ספציפית תחת חקירה. שיטת מדידה המגביל אלקטרוכימי המתוארים כאן מבוססת באופן ישיר בשימוש על-ידי Wrighton ס מ2,3 , עמיתים, ר וו מורי-4,–5,–6 ועמיתיו בבית 1980 הוא לחקור פולימרים מוליכים סרט דק.
Introduction
אלקטרון חוץ-תאית תחבורה (EET) הוא תהליך המאפשר מיקרואורגניזמים מסוימים להעברת אלקטרונים בין תהליכים מטבוליים תאיים לבין אלקטרונים לא מסיסים acceptors או תורמים השוכנים מחוץ לתא, החל מינרלים טבעיים כדי אלקטרודות. במקרים מסוימים, EET מאפשר מיקרואורגניזמים ליצור biofilms עבה מרובת-תאים מוליכי על משטחים אלקטרודה, שבו תאים לא במגע ישיר עם האלקטרודה יכול עדיין להשתמש זה מקבל אלקטרון מטבולית או תורם. יש עניין רב כזה biofilms כמו זרזים אלקטרודה ליישומים שונים, כגון חיידקים electrosynthesis, חישה מזהם/הסרה, ו דור אנרגיה מרחוק, אחסון,7,8,9 ,10,11,12,13,14 בשל המגוון של תהליכים מטבוליים שבוצעה על-ידי מיקרואורגניזמים, העמידות של חיידקים פתוגנים המועברים במזון בהשוואה כדי מבוססי אנזים bioelectrodes. 15 , 16 . בנוסף, מסלולים EET פוטנציאלי עלול להיות מנוצל כדי חשמלית פקד או אות לשינויים המתרחשים באופן טבעי או מהונדסים גנטית תהליכים מטבוליים חיידקים מעורבים, לדוגמה, הייצור של המוצר הרצוי או זיהוי של analyte המטרה או התמריץ. מוליכות חשמלית של biofilms electrocatalytic, אשר מגדיר אותם מלבד חומרים ביולוגיים אחרים, הוא היבט מרכזי של הנכסים שלהם electrocatalytic, ובכל זאת ליטל מובנת על תהליך EET כבסיס בסביבת אלקטרודה, זה אשר ידוע מאוד שנויה במחלוקת. 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24
המתוארים כאן היא שיטה 2-אלקטרודות למדידת מוליכות דרך biofilms חי, שגודלו אלקטרודה באמצעות אלקטרודה interdigitated מערכים (IDAs). IDAs מורכב מקבילים אלקטרודות מלבני בדוגמת במשטח זכוכית שטוחה כזאת כל להקה מחובר בשני צידי מערך וכתוצאה מכך ב- 2 אלקטרודות (המקור, ניקוז). בחינה זהירה של אידה (ראה למשל, דמותו 6.12b של ref #1) חושף את הפערים המפריד בין להקות סמוכים הם גם מחובר באופן כזה שהם מהווים רווח יחיד זה אורג הלוך ושוב על פני המערך המפריד בין שתי אלקטרודות. התוצאה היא פער ארוך וצר המפריד בין האלקטרודות המקור, ניקוז, מניב מקור גבוהה מאוד-ניקוז הזרמים כאשר חומר מוליך הוא נוצר, יצוק, polymerized או גדל (במקרה של סוג biofilms נחשב כאן) על המערך. בנוסף, גודל קטן של האלקטרודות תוצאות ברקע קטן הנוכחי בשל קיבוליות טעינה, חל שינוי במצב חמצון של חומר מוליך עם שינוי שער פוטנציאל, מאז כמות החומר הדרוש כדי להפוך את מוליכות מדידות באמצעות IDAs הוא כל כך קטן. הטכניקה של מבוסס-אידה gating אלקטרוכימי המתוארים כאן, שפותחה לאפיין פולימרים מוליכים סרט דק,2,3,4,25 רק לאחרונה הוחל במערכות החיים. 18 טכניקה נוספת למדידת מוליכות של החיים biofilms מנוצל תבנית גדולה לפצל אלקטרודות המקור, ניקוז מקור מטר לקביעת השער פוטנציאליים. 26 , 27 . אולם, החשש שיטות אלה יש כבר מפורט בעבר. 18
להלן הפרוטוקול מכמס הניסיון שלנו עם ביצוע מדידות מוליכות של חיים biofilms MCL Geobacter sulfurreducens ו- biocathode. Sulfurreducens ג הוא אלקטרודה מודל הפחתת אורגניזם מסוגל להשתמש בחומרים לא מסיסים, כולל אלקטרודות, כמו מקבל אלקטרון מטבולית הבלעדית. בנוסף, היא יוצרת biofilms עבה מסוגלים להעביר אלקטרונים על אורכי תאים מרובים, שהופך אותו אורגניזם מודל אידיאלי ללמוד העברת-אלקטרונים למרחקים ארוכים חוץ-תאית אנודי. אנחנו גם לכלול פרטים לצורך המחקר של biocathode MCL, biofilm אירובי, autotrophic מעורבות הקהילה מבודד הקתודה של תא דלק בנתיק מיקרוביאלי. MCL Biocathode (על שם שלושת המרכיבים העיקרי – Marinobacter, Chromatiaceaea ו- Labrenzia) הוא מסוגל מחמצן אלקטרודה כמו תורם אלקטרון הבלעדי שלה, בהעברת אלקטרונים על אורכי תאים מרובים, ביצוע זה מערכת cathodic מעניין ללמוד. בנוסף, biocathode MCL יש את מוליכות שדווחו הגבוהה ביותר עבור מערכת חיה עד היום בשיטות אלה. ההכללה של אלה biofilms electroactive מגוונות של פרוטוקול זה נועד להדגיש כי טכניקה זו ישימה כדי למדוד את התעבורה של אלקטרונים דרך כל biofilm חי חשמלית אינטראקציה עם אלקטרודות.
Protocol
Representative Results
Discussion
במהלך התקנת אידה, חיוני לבדוק כי המקור וצינור הניקוז לא לקצר יחד לפני מדידות המגביל אלקטרוכימי, כמו זה תשנה אתSD לעומת עקומת EG יכול להוביל לתוצאות שגויות פרשנויות. חשוב גם לבחור VSD ו- v כך הנוכחי הוא באופן ליניארי תלויים VSD ועצמאית של v. אם זה לא המקרה, ואז המשוואות המתוא…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M.D.Y, S.M.G-ס ו L.M.T. לאשר למשרד של חיל הים המחקר (פרס #N0001415WX01038 ו- N0001415WX00195), מעבדת המחקר של הצי הימי מעבדות ננוטכנולוגיה מכון המחקר; M.Y.E.-ש הוא נתמך על ידי ארה ב המחלקה של אנרגיה גרנט דה-FG02-13ER16415.
Materials
| IDAs | CH Instruments | 012125 | Manufactured by ALS-Japan; sold by CH Instruments |
| Wire | Digikey | W7-ND | |
| Conductive silver epoxy | Electron microscopy sciences | 12670-EE | |
| Insulating material | 3M | 2131-B | Scotchast flame retardant compound |
| 15 mL conical centrifuge tube | VWR | 89004-368 | |
| 21g needle | VWR | BD-305165 | |
| 5 mL pipette tips | VWR | 82018-842 | |
| 5 mL pipettor | VWR | 89079-976 | |
| Freshwater medium components | Sigma Aldrich | All standard laboratory chemicals | |
| Ammonium chloride | |||
| Sodium phosphate monobasic | |||
| Sodium bicarbonate | |||
| Artificial seawater medium components | Sigma Aldrich | All standard laboratory chemicals | |
| Sodium chloride | |||
| Magnesium chloride hexahydrate | |||
| Magnesium sulfate heptahydrate | |||
| Potassium chloride | |||
| Sodium bicarbonate | |||
| Calcium chloride dihydrate | |||
| Ammonium chloride | |||
| Potassium phosphate dibasic | |||
| Ag/AgCl reference electrode | Basi | MF-2079 | |
| Graphite rod counter electrode | Electron microscopy sciences | 70230 | |
| Recirculating water bath | Thermo Scientific | 152-5256 | |
| Bipotentiostat | Pine Instruments | WD-20 | http://www.voltammetry.net/pine/aftermath/user |
| Stir bars | VWR | 58947-114 | |
| G. sulfurreducens culture | ATCC | 51573 | |
| Jacketed reactor | Pine Instruments | RRPG085 |
Riferimenti
- Boyd, D. A., et al. . Biofilms in Bioelectrochemical Systems. , 177-210 (2015).
- Natan, M. J., Wrighton, M. S. Chemically modified microelectrode arrays. Prog Inorg Chem. 7, 391-494 (1990).
- Paul, E. W., Ricco, A. J., Wrighton, M. S. Resistance of polyaniline films as a function of electrochemical potential and the fabrication of polyaniline-based microelectronic devices. J Phys Chem-US. 89, 1441-1447 (1985).
- Dalton, E. F., et al. Charge transport in electroactive polymers consisting of fixed molecular redox sites. Chem Phys. 141, 143-157 (1990).
- Chidsey, C. E. D., Murray, R. W. Electroactive Polymers and Macromolecular Electronics. Science. 231, 25-31 (1986).
- Chidsey, C. E. D., Murray, R. W. Redox capacity and direct current electron conductivity in electroactive materials. J Phys Chem-US. 90, 1479-1484 (1986).
- Gregoire, K. P., Glaven, S. M., Hervey, J., Lin, B., Tender, L. M. Enrichment of a High-Current Density Denitrifying Microbial Biocathode. J Electrochem Soc. 161, H3049-H3057 (2014).
- Siegert, M., Yates, M. D., Spormann, A. M., Logan, B. E. Methanobacterium dominates biocathodic Archaeal communities in methanogenic microbial electrolysis cells. ACS Sus Chem Eng. 3, 1668-1676 (2015).
- Wang, Z., et al. A previously uncharacterized, nonphotosynthetic member of the Chromatiaceae is the primary CO2-fixing constituent in a self-regenerating biocathode. Appl Environ Microbiol. 81, 699-712 (2015).
- Marshall, C. W., Ross, D. E., Fichot, E. B., Norman, R. S., May, H. D. Long-term Operation of Microbial Electrosynthesis Systems Improves Acetate Production by Autotrophic Microbiomes. Environ Sci Technol. 47, 6023-6029 (2013).
- Strik, D. P. B. T. B., Picot, M., Buisman, C. J. N., Barrière, F. pH and Temperature Determine Performance of Oxygen Reducing Biocathodes. Electroanalysis. 25, 652-655 (2013).
- Strycharz, S. M., et al. Reductive dechlorination of 2-chlorophenol by Anaeromyxobacter dehalogenans with an electrode serving as the electron donor. Environ Microbiol Report. 2, 289-294 (2010).
- Yates, M. D., et al. Microbial Electrochemical Energy Storage and Recovery in a Combined Electrotrophic and Electrogenic Biofilm. Environ Sci Technol Lett. 4, 374-379 (2017).
- Tender, L. M., et al. Harnessing microbially generated power on the seafloor. Nature Biotechnology. 20, 821-825 (2002).
- Yates, M. D., Siegert, M., Logan, B. E. Hydrogen evolution catalyzed by viable and non-viable cells on biocathodes. Int J Hydrogen Energ. 39, 16841-16851 (2014).
- Fokina, O., Eipper, J., Winandy, L., Kerzenmacher, S., Fischer, R. Improving the performance of a biofuel cell cathode with laccase-containing culture supernatant from Pycnoporus sanguineus. Bioresource Technol. 175, 445-453 (2015).
- Yates, M. D., et al. Thermally activated long range electron transport in living biofilms. Phys Chem Chem Phys. 17, 32564-32570 (2015).
- Yates, M. D., et al. Measuring conductivity of living Geobacter sulfurreducens biofilms. Nat Nano. 11, 910-913 (2016).
- Snider, R. M., Strycharz-Glaven, S. M., Tsoi, S. D., Erickson, J. S., Tender, L. M. Long-range electron transport in Geobacter sulfurreducens biofilms is redox gradient-driven. Proc Natl Acad Sci USA. 109, 15467-15472 (2012).
- Strycharz-Glaven, S. M., Snider, R. M., Guiseppi-Elie, A., Tender, L. M. On the electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms. Energ Environ Sci. 4, 4366-4379 (2011).
- Malvankar, N. S., Tuominen, M. T., Lovley, D. R. Comment on “On electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms” by S. M. Strycharz-Glaven, R. M. Snider, A. Guiseppi-Elie and L. M. Tender, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4366. Energy Environ. Sci. 5, 6247-6249 (2012).
- Malvankar, N. S., et al. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nat Nanotechnol. 6, 573-579 (2011).
- Strycharz-Glaven, S. M., Tender, L. M. Reply to the ‘Comment on “On electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms”‘ by N. S. Malvankar, M. T. Tuominen and D. R. Lovley, Energy Environ. Sci., 2012, 5. Energy Environ. Sci. 5, 6250-6255 (2012).
- Strycharz-Glaven, S. M., et al. Electron Transport through Early Exponential-Phase Anode-Grown Geobacter sulfurreducens Biofilms. Chem Electro Chem. 1, 1957-1965 (2014).
- Chidsey, C. E., Feldman, B. J., Lundgren, C., Murray, R. W. Micrometer-spaced platinum interdigitated array electrode: fabrication, theory, and initial use. Anal Chem. 58, 601-607 (1986).
- Li, C., Lesnik, K. L., Fan, Y., Liu, H. Redox Conductivity of Current-Producing Mixed Species Biofilms. PLOS ONE. 11, e0155247 (2016).
- Malvankar, N. S., et al. Tunable metallic-like conductivity in microbial nanowire networks. Nat Nano. 6, 573-579 (2011).
- Ing, N. L., Nusca, T. D., Hochbaum, A. I. Geobacter sulfurreducens pili support ohmic electronic conduction in aqueous solution. Phys Chem Chem Phys. 19, 21791-21799 (2017).
- Fricke, K., Harnisch, F., Schröder, U. On the use of cyclic voltammetry for the study of anodic electron transfer in microbial fuel cells. Energ Environ Sci. 1, 144-147 (2008).
- Marsili, E., Rollefson, J. B., Baron, D. B., Hozalski, R. M., Bond, D. R. Microbial biofilm voltammetry: direct electrochemical characterization of catalytic electrode-attached biofilms. Appl Environ Microbiol. 74, 7329-7337 (2008).
- Kankare, J., Kupila, E. -. L. In-situ conductance measurement during electropolymerization. J Electroanal Chem. 322, 167-181 (1992).
- Byun, H. S., Pirbadian, S., Nakano, A., Shi, L., El-Naggar, M. Y. Kinetic Monte Carlo Simulations and Molecular Conductance Measurements of the Bacterial Decaheme Cytochrome MtrF. Chem Electro Chem. 1, 1932-1939 (2014).
- El Kasmi, A., Wallace, J. M., Bowden, E. F., Binet, S. M., Linderman, R. J. Controlling interfacial electron-transfer kinetics of cytochrome c with mixed self-assembled monolayers. J Am Chem Soc. 120, 225-226 (1998).
- Bortolotti, C. A., et al. The Reorganization Energy in Cytochrome c is Controlled by the Accessibility of the Heme to the Solvent. J Phys Chem Lett. 2, 1761-1765 (2011).
- Gallaway, J. W., Calabrese Barton, S. A. Kinetics of Redox Polymer-Mediated Enzyme Electrodes. J Am Chem Soc. 130, 8527-8536 (2008).
- Thackeray, J. W., White, H. S., Wrighton, M. S. Poly(3-methylthiophene)-coated electrodes: optical and electrical properties as a function of redox potential and amplification of electrical and chemical signals using poly(3-methylthiophene)-based microelectrochemical transistors. J Phys Chem-US. 89, 5133-5140 (1985).
- Jugnet, Y., Tourillon, G., Duc, T. M. Evidence of Intrinsic Extended π-Bonding Band and Metalliclike Behavior in Undoped and Doped Electropolymerized Poly (3-methylthiophene) Films. Phys Rev Lett. 56, 1862-1865 (1986).
