Vivre dans des conditions extrêmes exige des adaptations créatives. Pour certaines espèces de bactéries qui vivent dans des environnements dépourvus d’oxygène, cela signifie trouver un moyen de respirer qui n’implique pas d’oxygène. Ces microbes résistants, que l’on trouve au fond des mines, au fond des lacs et même dans l’intestin humain, ont développé une forme unique de respiration qui consiste à excréter et à absorber des électrons. En d’autres termes, ces microbes peuvent produire de l’électricité.
Les scientifiques et les ingénieurs étudient les moyens d’exploiter ces centrales électriques microbiennes afin de faire fonctionner les piles à combustible et purifier les eaux usées, entre autres utilisations. Mais l’identification des propriétés électriques d’un microbe restait un défi : ces cellules sont beaucoup plus petites que les cellules de mammifères et extrêmement difficiles à cultiver dans des conditions de laboratoire.
Aujourd’hui, les ingénieurs du MIT ont mis au point une technique microfluidique qui permet de traiter rapidement de petits échantillons de bactéries et de mesurer une propriété spécifique fortement corrélée à la capacité des bactéries à produire de l’électricité. Ils disent que cette propriété, connue sous le nom de polarisabilité, peut être utilisée pour évaluer l’activité électrochimique d’une bactérie d’une manière plus sûre et plus efficace que les techniques actuelles.
« La vision est de choisir les candidats les plus forts pour accomplir les tâches souhaitables que les humains veulent que les cellules fassent « , a indiqué Qianru Wang, un postdoctorant du département de génie mécanique du MIT.
« Des travaux récents suggèrent qu’il pourrait y avoir une gamme beaucoup plus large de bactéries qui ont des propriétés [productrices d’électricité] « , a ajouté Cullen Buie, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. « Ainsi, un outil qui vous permet de sonder ces organismes pourrait être beaucoup plus important que nous le pensions. Ce n’est pas seulement une poignée de microbes qui peuvent faire ça. »
Les bactéries qui produisent de l’électricité le font en générant des électrons à l’intérieur de leurs cellules, puis en transférant ces électrons à travers leurs membranes cellulaires par de minuscules canaux formés par des protéines de surface, dans un processus appelé transfert extracellulaire d’électrons, ou EET.
Les techniques existantes pour sonder l’activité électrochimique des bactéries impliquent la croissance de grandes quantités de cellules et la mesure de l’activité des protéines EET – un processus méticuleux qui prend beaucoup de temps. D’autres techniques nécessitent la rupture d’une cellule pour purifier et sonder les protéines. Buie a cherché une méthode plus rapide et moins destructrice pour évaluer la fonction électrique des bactéries.
Au cours des 10 dernières années, son groupe a construit des puces microfluidiques gravées avec de petits canaux, à travers lesquels ils font circuler des échantillons de microlitres de bactéries. Chaque canal est pincé au centre pour former un sablier. Lorsqu’une tension est appliquée à travers un canal, la section pincé — environ 100 fois plus petite que le reste du canal — exerce une pression sur le champ électrique, le rendant 100 fois plus fort que le champ environnant. Le gradient du champ électrique crée un phénomène connu sous le nom de diélectrophorèse, ou une force qui pousse la cellule contre son mouvement induit par le champ électrique. Par conséquent, la diélectrophorèse peut repousser une particule ou l’arrêter dans sa trajectoire à différentes tensions appliquées, selon les propriétés de surface de cette particule.
Des chercheurs, dont Buie, ont utilisé la diélectrophorèse pour trier rapidement les bactéries selon leurs propriétés générales, comme la taille et l’espèce. Cette fois-ci, Buie s’est demandé si la technique pouvait soutenir l’activité électrochimique des bactéries, une propriété beaucoup plus subtile.
Buie et Wang ont publié leurs résultats dans Science Advances.
Credit: Qianru Wang
