Bağırsak tüylerini taklit eden bakteri pili, düz elektrottan 8 kat fazla güç üretti

İnce bağırsağın iç yüzeyine elinizi sürebilseydiniz düz bir boru değil, kadifeye benzer bir halı hissederdiniz. O dokuyu gözle zor fark edilen parmak biçimli çıkıntılar, yani villuslar oluşturur. Binghamton Üniversitesi'nden bir mühendislik ekibi aynı şekli bu kez sindirim için değil elektrik için kullandı: villus biçiminde jel sütunlar üretti, içlerine uykudaki bakteri sporlarını yerleştirdi ve düz bir elektroda kıyasla birim hacimde 8,3 kat fazla güç elde etti.

Çalışma eylül sonunda Small dergisinde çevrimiçi yayımlandı. Makalenin yazarları doktora öğrencileri Ruohan Zhang ile Botian Wang ve elektrik-bilgisayar mühendisliği profesörü Seokheun "Sean" Choi. Elde edilen güç küçük; ama bakteriyle çalışan pillerin yıllardır takıldığı bir soruna, mikroplara yaşanabilir bir "ev" kurma sorununa, biçimden gelen bir yanıt öneriyor. Ekibin gözündeki kullanım alanı da pil değiştirmenin zahmetli olduğu yerler: atık su boruları ve oralara bırakılacak küçük algılayıcılar.

Bakteri nasıl elektrik üretir?

Mikrobiyal yakıt hücresi ya da biyopil denen düzenek, bakterinin besinini parçalarken açığa çıkardığı elektronları yakalamaya dayanır. Biyopilde bu elektronlar anot denen elektroda devredilir, oradan bir telle karşı uçtaki katoda akar. Tel boyunca süren bu yolculuk, cihazın ürettiği akımın ta kendisidir. İki ucu ayıran zar ise yüklü parçacıkların geçişini düzenleyerek devreyi tamamlar.

Binghamton'daki düzenekte villus dizisi anot görevini üstleniyor. Karşısında değiştirilmiş karbon kumaştan bir katot, ikisinin arasında da iyon değiştirici bir zar var.

Düz yüzey neden yetmiyor?

Choi'nin laboratuvarı yıllardır kâğıttan, kumaştan, metalden ve polimerlerden biyopiller deniyor. Üniversitenin duyurusuna göre ekip, denenen malzemelerin neredeyse hepsinde aynı engele çarptı: iki boyutlu yüzeyler, kullanılan Bacillus subtilis bakterisinin çoğalabileceği kadar alan sunmuyor. Kâğıt gibi gözenekli malzemeler biraz derinlik katsa da başka dertler getiriyor. Choi bunu şöyle anlatıyor: "Gözenekli yapılar biyofilm oluşumuyla kolayca tıkanabiliyor; bu yüzden besin iletimi, atık birikmesi ya da düzensiz biyofilm büyümesi konusunda pek çok sorun yaşadık."

Biyofilm, bakterilerin bir yüzeye tutunup kendi salgıladıkları yapışkan bir tabakanın içinde yaşadığı topluluktur. Tıkanan bir gözenekte içerideki hücrelere besin ulaşamaz, ürettikleri atık da dışarı çıkamaz. Choi'ye göre çözüm canlı dokuyu taklit etmekti: geniş yüzey alanı, kısa difüzyon mesafesi, verimli madde taşınımı ve aynı zamanda esnek, gerilebilir, büyütülebilir bir elektrot. Kısa difüzyon mesafesi, besinin her bakteriye uzun bir yol katetmeden ulaşması demek.

Makaleye göre ince bağırsak tam da bunun için evrimleşmiş bir arayüz: villuslarla genişleyen yüzey, mukusla sağlanan nem ve kısa yollardan gerçekleşen besin alışverişi sayesinde yoğun ve etkin mikrop topluluklarını taşıyabiliyor. Elektrik mühendisi Zhang ise işe sindirim sistemini okuyarak başladıklarını anlatıyor: "Artık yapının neye benzediğini ve bağırsaktaki bakterilerin nasıl işlediğini biliyorum."

Jelden parmaklar, içinde uyuyan sporlar

Ekip villusları bir hidrojelden, yani bol su tutan esnek bir polimer ağından üretti. Jelin içinde üç bileşen var: elektriği ileten PEDOT:PSS polimeri, iskeleti oluşturan polivinil alkol ve iletkenliği artıran indirgenmiş grafen oksit.

Bakteriler jele canlı hücre olarak değil, endospor hâlinde konuyor. Endospor, Bacillus subtilis'in zor koşullarda büründüğü, metabolizmasını neredeyse durdurduğu zırhlı uyku biçimi. Besinle temas edince sporlar uyanıp elektrik üretebilen hücrelere dönüşüyor. Araştırmacılar bu sayede pilin kullanılana dek rafta bekleyebileceğini, ama bunun henüz bir olasılık olduğunu belirtiyor. Choi'nin daha önceki yutulabilir biyopili de ince bağırsağa ulaşana dek etkisiz kalan aynı fikre dayanıyordu.

Rakamlar ne söylüyor?

Aşağıdaki değerler makalenin özetinden ve Binghamton Üniversitesi'nin duyurusundan derlendi. Karşılaştırma, aynı hacimdeki düz elektrotla yapıldı.

Düz elektrotta hacimsel güç yoğunluğu	8,04 µW/cm³
Villus dizili elektrotta hacimsel güç yoğunluğu	66,45 µW/cm³
Artış	8,3 kat
Denenen geometri	24 farklı düzenek
Tek villustan alınan en yüksek güç	8,35 µW
Sürekli besin akışında gerilim	yaklaşık 0,75 V, en az 14 saat

24 düzenekli deneme dizisi bir tasarım kuralı da ortaya koydu: sütunun yarıçapı ile yüksekliği birbirine bağlı. Yalnız birini büyütmek değil, ikisini birlikte ayarlamak en iyi sonucu veriyor. Üniversiteye göre elde edilen gerilim küçük LED'leri yakmaya ya da mikro algılayıcıları beslemeye yetiyor.

Borunun içine yapışan pil

Ekip esnek villus yamalarını atık suyu taklit eden bir besin çözeltisiyle doldurulmuş, boruyu canlandıran bir düzenekte denedi ve besin gelince elektrik üretimi başladı. Ayrı bir dizi ise kendi enerjisiyle, ölçümü hangi noktada yaptığını ayırt edebilen bir algılayıcı gibi çalıştı. Choi'nin hayali şu: "Bu biyopili bir atık su borusuna koyabiliriz, çünkü çevresiyle kolayca bütünleşebiliyor. Sudaki atığı besin olarak kullanıp güç üretebilir ve borunun biçimine, boyutuna birebir uyabilir."

Bulgunun sınırları

Mikrowatt, wattın milyonda biri. Bir telefonu şarj etmek watt düzeyinde güç ister; dolayısıyla bu pil büyük cihazların değil, çok az enerjiyle yetinen algılayıcıların adayı. Ölçümler laboratuvarda, sürekli besin verilen bir ortamda yapıldı ve gösterilen süre en az 14 saat. Gerçek bir kanalizasyonda sıcaklığı, kimyası ve içeriği sürekli değişen akışa haftalarca ya da aylarca nasıl dayanacağı henüz sınanmadı.

Ekip sıradaki adım olarak villusları tek aşamada, büyük ölçekte basabilecek bir yöntem geliştirmek istiyor. Choi taklidin henüz yarım kaldığını da kabul ediyor: "Bu çalışmada mimari kısmı taklit etmeye çalıştık. Bakteri hücrelerinin canlılığını nasıl koruduğunu gerçekten anlamak için fizyolojik ve kimyasal yapıyı da taklit etmemiz gerekiyor." Bağırsakta bakteriler çoğunlukla villusları kaplayan mukus tabakasında yaşıyor; jel sütunlar ise yalnızca şekli kopyalıyor.

Asıl soru burada: bağırsak yüzeyini kendi onaran canlı bir organ, boruya bırakılan jel parmaklar ise kendi biyofilmleriyle tek başına başa çıkmak zorunda. Mukusun işlevini de taklit eden ikinci kuşak bir villus pili, bakterileri tıkanmadan aylarca besleyebilecek mi?

Fotoğraf: Mikael Häggström, M.D. Author info - Reusing images- Conflicts of interest:  None Mikael Häggström, M.D.Consent note: Consent from the patient or patient's relatives is regarded as redundant, because of absence of identifiable features (List of HIPAA identifiers) in the media and case information (See also HIPAA case reports guidance)., CC0, Wikimedia Commons