Jak gel z korýšů a bakterie vyrábí elektřinu: Nová metoda pro sledování kvality vody a potravin

Mikrobiální bioelektronické senzory představují slibnou technologii, která využívá živé bakterie k vytváření elektrického signálu v reakci na přítomnost cílové látky.

Mikrobiální bioelektronické senzory představují slibnou technologii, která využívá živé bakterie k vytváření elektrického signálu v reakci na přítomnost cílové látky. Tyto senzory nabízejí řadu výhod oproti jiným typům biosensorů založených na proteinech a enzymech: bakterie mohou plnit více funkcí, přežívat v různých prostředích a dokonce se množit a regenerovat pro potenciální dlouhodobé použití.

Vývoj zařízení s živými bakteriemi však naráží na několik překážek. Mediátory, které některé bakterie používají k odesílání a přijímání elektronů pro vytvoření elektrického signálu, mohou být v kapalném prostředí, jako je odpadní voda, odplaveny ze senzoru. Některé mediátory jsou navíc toxické pro člověka nebo životní prostředí. Výzkumník Rafael Verduzco z Rice University proto vyvinul bezpečný bioelektronický senzor, který umožňuje efektivní elektronickou komunikaci i v kapalném prostředí.

Systém využívá chitosan, přírodní polymer, který se nachází v tvrdých vnějších schránkách korýšů. V tomto systému chitosan funguje jako ochranná schránka, která zabraňuje úniku bakterií. Je také upraven tak, aby měl kotevní body, na které se mohou navázat mediátory, což je klíčové pro transport elektronů. Tento materiál poskytuje flexibilní způsob zapouzdření bakterií a zesílení elektronických signálů. Jelikož je založen na levném a obnovitelném polymeru, má velký potenciál pro praktické aplikace.

Doktorand Xinyuan Zuo přišel s myšlenkou vyvinout hydrogel, který bakterie zachytí v blízkosti elektrody. Hydrogel je měkký, pružný gel tvořený směsí porézních a propustných pevných látek. Umožňuje médiu s potenciálními analyty proudit dovnitř a kolem zachycených bakterií, aniž by se bakterie uvolnily do kapaliny. Pro transport elektronů mezi bakteriemi a elektrodou vědci použili redox-aktivní polymer, který dokáže přijímat a předávat elektrony, čímž umožňuje tok elektronů k elektrodě, kde jsou čteny jako elektřina.

Výzkumníci vytvořili verzi, která testovala mléko na přítomnost sakacinu P, antimikrobiální látky často používané jako konzervant. K vytvoření signálu použili upravenou verzi bakterie *L. plantarum*, probiotické bakterie běžně se vyskytující ve fermentovaných mléčných výrobcích, která produkovala malé množství elektřiny při kontaktu se sakacinem P. Hydrogel s bakteriemi byl připojen k elektrodě a umístěn do mléka. Během několika hodin elektroda zaznamenala elektrický signál – bakterie reagovaly na přítomnost sakacinu P. Stejně jako polymer je i *L. plantarum* bezpečný pro použití v životním prostředí a v potravinách, což otevírá širokou škálu využití. Hydrogel lze navíc použít i s jinými bakteriemi.

Existuje velké množství elektroaktivních bakterií, a proto je potenciál pro tyto typy živých mikrobiálních zařízení obrovský. Tento hydrogel poskytuje způsob elektronické komunikace s těmito bakteriemi, což umožňuje vývoj živých bioelektronických zařízení pro snímání, chemickou výrobu, izolaci nebo ničení škodlivých chemikálií.