Caracterizar el transporte de electrones a través de Biofilms de vida
Summary
Se presenta un protocolo para la medición de conductividad eléctrica de biofilms microbianos vivos en condiciones fisiológicamente relevantes.
Abstract
Aquí se demuestra el método de bloquear electroquímico utilizado para caracterizar la conductividad eléctrica de biofilms microbianos electrodo crecido en condiciones fisiológicamente relevantes. 1 estas mediciones se realizan en vida biofilms en medio acuoso utilizando fuente y drenan electrodos en una superficie de vidrio en una configuración especializada que se refiere a como una matriz de electrodos interdigitados (IDA). Una biopelícula se cultiva que se extiende a través de la brecha que conecta la fuente y drenaje. Potenciales se aplicación a los electrodos (ES y ED) generando una corriente de drenaje de la fuente (ISD) a través de la biopelícula entre los electrodos. La dependencia de la conductividad eléctrica en potencial de la puerta (la media de los potenciales de fuente y drenaje, EG = [aD ES] / 2) se determina sistemáticamente cambiar la puerta potencial y midiendo la fuente resultante de cerebros actual. La dependencia de la conductividad en la puerta de posibles informaciones mecanicista sobre el proceso de transporte de electrones extracelular subyacente a la conductividad eléctrica de la biopelícula específica bajo investigación. El método electroquímico de medición bloquea aquí descrito se basa en que utilizada por M. S. Wrighton2,3 y R. W. Murray4,5,6 y colegas, colegas de 1980 s para investigar polímeros conductores de película delgada.
Introduction
Transporte de electrones extracelular (EET) es un proceso que permite a ciertos microorganismos para el transporte de electrones entre los procesos metabólicos intracelulares y aceptadores del electrón insoluble o donantes que residen fuera de la célula, que van desde minerales naturales a electrodos. En algunos casos, EET permite microorganismos formar eléctricamente conductores múltiples de la célula densamente biofilms en la superficie de los electrodos, en el que células no en contacto directo con el electrodo pueden todavía utilizarlo como aceptor de electrones metabólica o donante. Hay interés considerable en tales biofilms como catalizadores de electrodos para aplicaciones diversas, como microbiana electrosíntesis, contaminante de detección/eliminación y generación de energía remota y almacenamiento,7,8,9 ,10,11,12,13,14 debido a la diversidad de los procesos metabólicos de microorganismos y la durabilidad de los biofilms microbianos en comparación con a base de enzima bioelectrodes. 15 , 16 además, caminos EET pueden utilizarse potencialmente para eléctricamente control o señal de cambios en forma natural o genéticamente modificados procesos metabólicos microbianos implicados, por ejemplo, en la producción de un producto o la detección de un analito target o estímulo. La conductividad eléctrica de electrocatalítica biofilms, que les distingue de otros materiales biológicos, es un aspecto central de sus propiedades electrocatalítica, pero poco se entiende sobre el proceso subyacente de la EET en el entorno del electrodo, y lo que se conoce es altamente controvertido. 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24
Se describe aquí es un método de 2 electrodos para medir conductividad a través de la vida, crecido por el electrodo biopelículas usando arrays de electrodos interdigitados (ida). Ida consisten en paralelo electrodos rectangulares con dibujos en la superficie de vidrio plano que cada otra banda está conectado en lados opuestos de la matriz resultante en 2 electrodos (fuente y dren). Examen cuidadoso de una IDA (ver por ejemplo, figura 6.12b de ref #1) revela que las brechas que separan bandas adyacentes son también conectados de tal manera que forma un solo boquete que teje hacia adelante y hacia atrás a través de la matriz que separa los dos electrodos. El resultado es un espacio largo y estrecho separando los electrodos de la fuente y dren, rendimiento muy alto fuente-drenan corrientes cuando un material conductor es formado, fundido, polimerizado o crecido (en el caso del tipo de biofilms considerados aquí) en la matriz. Además, el pequeño tamaño de los electrodos resulta pequeño fondo actual debido a la capacitancia de carga y cambiar en estado de oxidación del material conductor con cambio de puerta posible, ya que la cantidad de material necesario para hacer de conductividad mediciones con IDAs son tan pequeñas. La técnica de IDA gating electroquímico descrito aquí, desarrollado para caracterizar polímeros conductores de película fina,2,3,4,25 sólo recientemente se ha aplicado a los sistemas vivos. 18 otra técnica utilizada para medir la conductividad de los biofilms de vida utiliza un gran formato split electrodos fuente y dren y fuente metros para fijar la puerta potencial. 26 , 27 sin embargo, la preocupación de estos métodos ha sido detallada anteriormente. 18
El siguiente protocolo encapsula nuestra experiencia con realizar medidas de conductividad de vida Geobacter sulfurreducens y biocathode MCL biofilms. G. sulfurreducens es un electrodo modelo reduce organismo capaz de utilizar materiales insolubles, incluyendo electrodos, como el aceptador del electrón metabólica única. Además, forma biofilms gruesos que son capaces de transportar electrones en múltiples longitudes de célula, lo que es un organismo modelo para estudiar la transferencia de electrones extracelular larga distancia anódica. También se incluye información para el estudio de biocathode MCL, un biofilm comunidad mixta aeróbica, autótrofos aislado del cátodo de una célula de combustible microbiana béntica. Biocathode MCL (llamado así por los tres componentes primarios – Marinobacter, Chromatiaceaea y Labrenzia) es capaz de oxidar un electrodo como su donante del electrón único y transportar electrones en múltiples longitudes de célula, haciendo es un interesante sistema catódico para estudiar. Además, biocathode MCL tiene la más alta conductividad reportada para un sistema de vida hasta la fecha utilizando estos métodos. La inclusión de estos biofilms diversos electroactivas en este protocolo se pretende resaltar que esta técnica es aplicable para medir el transporte de electrones a través de cualquier biofilm viva capaz de interactuar eléctricamente con electrodos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Durante la instalación de la IDA, es fundamental para probar que la fuente y el dren no son pone en cortocircuito juntos antes medidas electroquímicas bloquea, ya que esto alterará elSD vs curva de EG y podría conducir a interpretaciones y resultados erróneos. También es fundamental para seleccionar VSD y v tal que la corriente es linealmente dependiente en VSD e independiente de v. Si este no es el caso, las ecuaciones descritas anteriormente no pueden ser utilizadas par…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M.D.Y, S.M.G S. y L.M.T. reconocen la oficina de investigación Naval (Premio #N0001415WX01038 y N0001415WX00195), el laboratorio de investigación Naval y el Instituto de Nanociencias laboratorio de investigación Naval; M.Y.E.-N. es apoyado por los Estados Unidos Departamento de energía concesión DE-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 |
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