Caractérisation de Transport des électrons par l’intermédiaire de Biofilms de vie
Summary
Un protocole de mesure de conductivité électrique des biofilms microbiens vivant dans des conditions physiologiques pertinentes est présenté.
Abstract
Nous démontrons ici la méthode de déclenchement électrochimique utilisé pour caractériser la conductivité électrique des biofilms microbiens électrode cultivés dans des conditions physiologiques pertinentes. 1 ces mesures sont effectuées sur la vie des biofilms en milieu aqueux à l’aide de la source et drain électrodes modelés sur une surface de verre dans une configuration spécialisée dénommée un tableau d’électrodes interdigitées (IDA). Un biofilm est cultivé qui s’étend à travers l’écart reliant la source et drain. Potentiels sont appliquées aux électrodes (E,S et E,D) générant un courant drain-source (ISD) à travers le biofilm entre les électrodes. La dépendance de la conductivité électrique sur le potentiel de la porte (la moyenne des potentiels source et de drain, EG = [E,D + ES] / 2) est déterminé par systématiquement changer la barrière de potentielle et le drain-source résultant de la mesure actuel. La dépendance de la conductivité sur barrière potentielle renseigne mécanistes sur le processus de transport d’électrons extracellulaire qui sous-tendent la conductivité électrique du biofilm spécifique sous enquête. La méthode de mesure électrochimique gating décrite ici repose directement sur celle utilisée par M. S. Wrighton2,3 et collègues et R. W. Murray4,5,6 et collègues les 1980 s d’enquêter sur les polymères conducteurs minces.
Introduction
Transport d’électrons extracellulaire (EET) est un processus qui permet à certains microorganismes pour le transport des électrons entre les processus métaboliques intracellulaires et accepteurs d’électrons insolubles ou bailleurs de fonds qui se trouvent à l’extérieur de la cellule, allant des minéraux naturels à électrodes. Dans certains cas, EET permet aux micro-organismes former électro-conducteur multicellulaire biofilms épais sur la surface de l’électrode, dans lequel cellules pas en contact direct avec l’électrode peuvent toujours utiliser comme un accepteur d’électrons métabolique ou donneur. Il y a un intérêt considérable dans ces biofilms comme catalyseurs d’électrode pour diverses applications, comme électrosynthèse microbienne, contaminant de détection/suppression et la production d’énergie à distance et le stockage,7,8,9 ,10,11,12,13,14 en raison de la diversité des processus métaboliques, interprété par les micro-organismes et la durabilité des biofilms microbiens par rapport à base d’enzymes bioélectrodes. 15 , 16 en outre, voies EET peuvent potentiellement être utilisées aux changements électriquement contrôle ou signal de naturellement ou issus du génie génétique microbiennes processus métaboliques impliqués, par exemple, dans la production d’un produit désiré ou la détection d’un analyte cible ou la stimulation. La conductivité électrique des biofilms électrocatalytique, ce qui les distingue d’autres matériels biologiques, est un aspect central de leurs propriétés électrocatalytique, pourtant peu est entendu sur le processus sous-jacent de EET au sein de l’électrode, et ce qui est connu est fortement contesté. 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24
Décrite ici est une méthode de 2 électrodes pour mesurer la conductivité dans les biofilms living, électrode cultivés à l’aide de rangées d’électrodes interdigitées (ADIS). Idas et Lyncée se composent d’électrodes rectangulaires parallèles, modelés sur la surface du verre plat tel que tous les autres groupes sont relié à des côtés opposés du tableau résultant à 2 électrodes (source et drain). Un examen attentif d’une ADI (voir par exemple, la Figure 6.12b de ref #1) révèle que les écarts qui séparent les bandes adjacentes sont également connectés de manière ne forment qu’un espace unique qui tisse en arrière sur la baie qui sépare les deux électrodes. Il en résulte un espace long et étroit séparant les électrodes source et de drain, à rendement très élevé source-drain courants lorsqu’un matériau conducteur est formé, cast, polymérisé ou cultivé (dans le cas du type de biofilms considérés ici) sur le tableau. En outre, la petite taille des électrodes se traduit par petit fond actuel en raison de la capacité de charge et de changer dans l’état d’oxydation de la matière conductrice avec changement de porte potentielle, étant donné que la quantité de matériel nécessaire pour faire de conductivité Dimensions à l’aide de IDAs est si petites. La technique de base IDA électrochimique de blocage décrites ici, mis au point afin de caractériser les polymères conducteurs minces,2,3,4,25 a récemment été appliqué à des systèmes vivants. 18 une autre technique utilisée pour mesurer la conductivité des biofilms vivant utilisé un grand format, diviser les électrodes source et de drain et mètres de la source pour définir la barrière potentielle. 26 , 27 Toutefois, ces méthodes ont été détaillés précédemment. 18
Le protocole ci-dessous encapsule notre expérience avec la mesure de conductivité de la vie des biofilms MCL Geobacter sulfurreducens et biocathode. G. sulfurreducens est une électrode modèle réduisant l’organisme en mesure d’utiliser les matériaux insolubles, y compris les électrodes, comme accepteur d’électrons métabolique unique. En outre, il forme des biofilms épais qui sont capables de transporter des électrons au fil de multiples longueurs de cellule, ce qui en fait un organisme modèle idéal pour étudier le transfert d’électron sur de longues distances extracellulaire anodique. Nous incluons également les détails pour l’étude des biocathode MCL, une communauté mixte aérobie, autotrophes biofilm isolée de la cathode d’une pile à combustible microbienne benthique. Biocathode MCL (nommé pour les trois constituants primaires – Marinobacter, Chromatiaceaea et Labrenzia) est capable d’oxyder une électrode comme son donneur d’électron unique et de transport des électrons sur plusieurs longueurs de cellule, rendant il un système cathodique intéressant à étudier. En outre, biocathode MCL possède la plus haute conductivité déclarée pour un système vivant à ce jour à l’aide de ces méthodes. L’inclusion de ces biofilms électroactifs diversifiée dans ce protocole vise à souligner que cette technique est applicable pour mesurer le transport d’électrons à travers tout biofilm vivant capable d’électriquement interagissent avec des électrodes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lors de la configuration de l’IDA, il est essentiel de vérifier que la source et le drain ne sont pas court-circuitées ensemble avant mesures électrochimiques de blocage, car cela modifiera la j’aiSD vs EG courbe et pourrait conduire à des interprétations et des résultats erronés. Il est également essentiel pour sélectionner VSD et v tel que le courant est linéairement dépendantes sur VSD et indépendantes de v. Si ce n’est pas le cas, alors les équations déc…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M.D.Y, S.M.G.-S. et L.M.T. reconnaissent l’Office of Naval Research (prix #N0001415WX01038 et N0001415WX00195), le Naval Research Laboratory et le Naval Research Laboratory Nanosciences Institute ; M.Y.E.-N. est pris en charge par les États-Unis Département d’énergie Grant 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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