سد واجهة الحيوية الالكترونية مع Biofabrication

الهدف العام من التجربة التالية هو ترسيب الأفلام البوليمرية الحيوية كهربائيا وتشغيلها بمكونات بيولوجية مثل البروتينات والخلايا. يتم تحقيق الترسيب الكهربائي من خلال الاستفادة من تغير الأس الهيدروجيني الذي يحدث محليا في قطب كهربائي متحيز مع محلول عديد السكاريد المستجيب للأس الهيدروجيني. عند اختيار استراتيجية الترسيب الشافي أو الأنودي ، يكون القطب منحازا لتشغيل انتقال هلام الروح ، والذي يولد طبقة رقيقة لها نمط محدد بواسطة الهندسة الكهربائية.

علاوة على ذلك ، يمكن إدخال المكونات البيولوجية مثل البروتينات والخلايا طوال عملية ترسيب القطب. من أجل الوظيفة البيولوجية ، يتم الحصول على نتائج الفيلم التي تظهر أن المكونات البيولوجية مترجمة للأفلام بناء على التصوير الفلوري. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المكونات وظيفية وقادرة على التفاعل مع بيئتها التي يتضح من خلال الكشف الكهروكيميائي للنشاط الأنزيمي واستخدام استجابة خلية المراسل.

يوفر التصنيع الحيوي صندوق أدوات جديد لبناء الواجهة بين علم الأحياء والإلكترونيات. نعتقد أن مزاياها الرئيسية هي بساطتها وقدرتها على التجمع في ظروف فسيولوجية قريبة. علم الأحياء خبير في التصنيع على المستوى النانوي من خلال التجميع الذاتي والوسائل الأنزيمية من خلال تجنيد هذه القدرات ، فإننا نتحايل على طرق التوليف المعقدة والخطرة والمستهلكة للوقت التي تستخدمها تقنيات التجميع الأخرى.

حصل فريقنا التعاوني على فكرة بناء واجهة جهاز BioD باستخدام المواد والآليات البيولوجية عندما لاحظنا أن طائراتهم الورقية يمكن أن تكون أرسب قطبا. Kitan عبارة عن فيلم مستجيب للأس الهيدروجيني يشكل عديد السكاريد يمكنه التعرف على الإشارات الكهربائية المفروضة على الجهاز والإيداع كغشاء رقيق. بمجرد أن رأينا أنه يمكن ترسيب الكيتان ، أدركنا أنه يمكننا الوصول إلى مجموعة أوسع من الأدوات من الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية لبناء واجهة جهاز BioD.

يمتد تطبيق هذه التقنية إلى إعدادات رقاقة اللابون حيث تكون المكونات البيولوجية الوظيفية مطلوبة لأنها توفر طريقة رخيصة وسهلة لتوطين هذه المكونات على قطب كهربائي حيث يمكن أن تظل قابلة للحياة. يعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمرا بالغ الأهمية حيث يمكن تخصيص فيلم التصنيع الحيوي وإتلافه بسهولة. على هذا النحو ، يجب على المرء أن يكون حريصا على عدم أن يكون قاسيا جدا أثناء غسل الفيلم أو تصويره.

كما قد يكون الفيلم منزعجا بسهولة. ومع ذلك ، كميزة ، يمكن إعادة استخدام الألكتروجين لأنه يمكن إزالة الفيلم بسهولة. لبدء هذا البروتوكول ، قم بتوصيل مصدر طاقة بالأقطاب الكهربائية المصنعة المخصصة عبر أسلاك التصحيح باستخدام مشابك التمساح.

ستعمل شريحة الزجاج المغطى بأكسيد القصدير الإنديوم أو ITO كأنود أو رقائق بلاتينية كهربائية تعمل ككاثود أو قطب مضاد لموضع القطب الكهربائي بحيث يعارض سطح IT o المراد تشغيله القطب المضاد بطريقة يتم فيها وضع سطح IT O إما عموديا ليتم غمسها في المحلول أو أفقيا ، بحيث يمكن احتواء المحلول على السطح. بعد ذلك ، قم بإعداد محلول ترسيب الجينات عن طريق خلط 1٪ ألجينات و 0.5٪ كربونات الكالسيوم في الماء المقطر وتعقيم الخليط. ثم قم بتسمية الجينات بالفلورسنت باستخدام كرات الفلور عن طريق الخلط والدوامة.

سيسمح ذلك بالتصوير الفلوري للفيلم الناتج بعد التعقيم ، يغمر المحلول كلا القطبين في محلول الترسيب المحضر يطبق كثافة تيار ثابتة تبلغ ثلاثة أمبير لكل متر مربع لمدة دقيقتين. سوف يتحول الجهد في نطاق اثنين إلى ثلاثة فولت بعد دقيقتين ، افصل القطب وقم بإزالة المحلول غير الرواسب. اشطف الفيلم برفق بكلوريد الصوديوم لإزالة الألجينات الزائدة عن الحاجة.

احتضان الفيلم لفترة وجيزة في 0.1 كلوريد الكالسيوم المولي لتقوية الجل. ثم يتم تحضين الفيلم في محلول التخزين المطلوب. تابع تصوير الفيلم باستخدام الفحص المجهري الفلوري قبل الترسيب المشترك.

قم بتنمية ثقافة خلية مرسل الإشارة ، وثظافة خلية مستقبل الإشارة وفقا للتوجيهات في البروتوكول المكتوب المصاحب لهذا الفيديو. بعد ذلك ، قم بإعداد محلول ترسيب من الألجينات وكربونات الكالسيوم. امزج المحلول مع كل مزرعة خلوية بنسبة واحد إلى واحد إلى تركيز نهائي قدره 1٪ ألجينات و 0.5٪ كربونات الكالسيوم مع تخفيف الخلايا إلى حوالي نصف كثافة الزراعة.

استخدم شريحة زجاجية منقوشة بقطبين كهربائيين من ITO يحتويان على بئر بولي ثنائي ميثيل سيلان وقطب مضاد من البلاتين. قم بتوصيل قطب ITO واحد والقطب البلاتيني بمصدر طاقة. كما كان من قبل ، اغمر الأقطاب الكهربائية في محلول الترسيب الذي يحتوي على خلايا المستقبل.

اضبط مصدر الطاقة على تيار ثابت بكثافة ثلاثة أمبير لكل متر مربع ، حيث يتم تحديد أبعاد مساحة السطح بواسطة القطب الفردي الذي سيحدث عليه الترسيب. قم بتطبيق التيار لمدة دقيقتين للسماح بترسيب الخلايا في مصفوفة الجينات. اشطف الفيلم بكلوريد الصوديوم كما كان من قبل ، وقم بتبديل الوصلة العتيقة إلى قطب ITO المجاور.

كرر إجراء الترسيب ولكن هذه المرة. تقديم الحل الذي يحتوي على خلايا المرسل. احتضان رقاقة القطبين اللذين يحتويان على الخلايا المترسبة المشتركة وأرجينات الكالسيوم طوال الليل عند 37 درجة مئوية في محلول ملحي مخزن بالفوسفات.

مكمل بوسائط 10٪ LB وكلوريد كالسيوم واحد مللي مولار. بعد الحضانة ، قم بتصوير الرقاقة باستخدام مجهر مضان لبدء ترسيب قطب الشيتوزان. قم بتوصيل مصدر الطاقة بالأقطاب الكهربائية.

مشابك التمساح النارية. ستعمل شريحة السيليكون المطلية بالذهب ككاثود وستكون رقائق البلاتين بمثابة الأنود. ضع سطح القطب الذهبي بحيث يزيل القطب المضاد كما كان من قبل.

قم بإعداد محلول رمل كاتو عن طريق خلط رقائق رمل كاتو في الماء وإضافة اثنين من كلوريد الهيدروجين المولي ببطء لإذابة السكريات. باتباع الإجراء المشار إليه في النص ، يمكن تسمية محلول رمل كاتو بالفلورسنت من أجل تصوير الفيلم المودع بالقطب الكهربائي بواسطة الفحص المجهري الفلوري في المقام التالي. تعمل الأقطاب الكهربائية في محلول كايزان على غمر المنطقة المطلوبة للترسيب تماما.

لمدة دقيقتين ، قم بتطبيق تيار ثابت محسوب بكثافة أربعة أمبير لكل متر مربع بناء على مساحة سطح أقطاب العمل في هذه الحالة ، يتم تطبيق تيار من 16 ميكروأمبير على جهد قطب ذهبي مربع بأربعة ملليمترات سيتحول في نطاق اثنين إلى ثلاثة فولت بعد شطفه في القطب بالماء منزوع الأيونات لإزالة الكيتوزان الزائد. تابع تصوير الفيلم باستخدام مجهر مضان ، وشيتوسان كوبوس ، وأوكسيداز الجلوكوز من محلول بكثافة تيار تبلغ أربعة منحدرات لكل متر مربع على قطب منقوش.

وفقا لإجراء ترسيب قطب شيتوزان ، سيتم إنشاء فيلم كايزان محاصر بأكسيديز الجلوكوز. قم بتوصيل القطب المعالج بنظام ثلاثة أقطاب كهربائية كقطب كهربائي يعمل ، وسلك بلاتيني كقطب مضاد والفضة ، وكلوريد الفضة كقطب مرجعي ، واغمر الأقطاب الكهربائية في محلول عازل للفوسفات يحتوي على كلوريد الصوديوم. اقتران البروتين كهروكيميائيا بفيلم Kazam عن طريق تطبيق جهد ثابت لمدة 60 ثانية باستخدام قياس الحرارة الكروني بعد الاقتران.

ضع الشريحة في مخزن الفوسفات واغسلها لمدة 10 دقائق على شاكر مداري لإزالة أي كلوريد صوديوم غير متفاعل وأوكزاز جلوكوز غير مترافق. أعد توصيل نظام الأقطاب الكهربائية الثلاثة واغمر محلول من خمسة مللي مولار جلوكوز. ثم قم بتعيين معلمات الرغبة لقياس حجم التداول عن بعد الدوري لاكتساح الجهد في اتجاه إيجابي إلى 0.7 فولت.

قم بإزالة الأقطاب الكهربائية من محلول الجلوكوز واشطفها بمحلول الفوسفات. ثم ضع الأقطاب الكهربائية بين دورق 10 ملليلتر يحتوي على ثمانية ملليلتر من عازلة الفوسفات على انحياز لوحة التحريك المغناطيسي. تعمل رقاقة GOX إلى 0.6 فولت لتكون بمثابة قطب كهربائي يعمل.

بعد تعيين معلمات الرغبة ، قم بتجميع تسجيل أساسي. أضف كميات من الجلوكوز إلى المخزن المؤقت لزيادة تركيز الجلوكوز بمقدار أربعة مللي مولار لكل حصة في هذه التجربة ، تمت إضافة 400 ميكرولتر من الجلوكوز 80 مليمولار إلى المخزن المؤقت. ربط الناتج الحالي بكل تركيز جلوكوز لإنشاء منحنى قياسي لأداء وظائف البروتين ، استخدم شريحة زجاجية منقوشة بقطب ذهبي مجاور وقطب ITO موجود داخل A-P-D-M-S.

حسنا ، قم بتحيز القطب الذهبي ذو الإمكانات الشافية لترسيب القطب الكهربائي كما هو موضح سابقا. بعد شطف الفيلم ، أضف محلولا من المحفز التلقائي الأزرق المسمى بالفلورسنت اثنين من سينسيز مكمل بالتيروزيناز. بعد حضانة لمدة ساعة في درجة حرارة الغرفة.

اشطف الفيلم باستخدام PBS كما كان من قبل ، وقم بتطبيق إمكانات أنودية على قطب ITO المغمور في محلول ترسيب الجينات الذي يحتوي على خلايا المستقبل. استمر في نفس الخطوات الموضحة في الترسيب المشترك لمجموعات الخلايا في الجينات لتوليد الإشارة المرسلة إنزيميا. بعد شطف الأفلام ، أضف محلولا من خمسة ميكرومولار ، SAH و PBS مكملا بوسائط LB 10٪ ومليمولي ضر واحد.

يغطي كلوريد الكالسيوم الأقطاب الكهربائية لمنع تبخر المحلول ويحتضن طوال الليل عند 37 درجة مئوية. سيسمح ذلك باستجابة خلية الاستقبال عن طريق توليد بروتين فلوري أحمر DS يمكن تصوير الأقطاب الكهربائية المجاورة الحمراء باستخدام الفحص المجهري الفلوري عن طريق الضبط. يمكن للمرشحات لالتقاط التألق الأزرق للمحفز أيضا اثنين من السينسيز والتألق الأحمر المعبر عنه بواسطة خلايا الاستقبال المختارة المفروضة على الإشارات الكهربائية أن تخلق بيئات مصغرة موضعية بالقرب من سطح القطب الكهربائي ويمكن لهذه المحفزات أن تؤدي إلى التجميع الذاتي للسكريات مثل الألجينات والرزان لترسيب كفيلم هيدروجيل على سطح القطب.

نظرا لأن انتقال هلام الروح هذا يحدث على سطح القطب الكهربائي ، فإن الفيلم الناتج يتم معالجته كهربائيا بهندستته المطابقة لنمط القطب. باستخدام الجينات ، تم إيداع مجموعات الخلايا الفريدة بشكل مشترك في عناوين منفصلة. لوحظ دليل على عناوين الأقطاب الكهربائية عند التفاعل بين مجموعة خلايا المرسل والمتلقي.

ينتشر الجزيء تلقائيا من الخلايا المرسل ويتم امتصاصه بواسطة خلايا الاستقبال مما يؤدي إلى التعبير عن بروتين الفلورسنت الأحمر DS. هنا. يلاحظ التألق الأحمر فقط في القطب الكهربائي حيث يتم معالجة أجهزة الاستقبال. على العكس من ذلك ، يوفر إنزيم الاستشعار الحيوي الجلوكوز أوكسيديز القدرة على اكتشاف الجلوكوز من خلال تفاعل إنزيمي عن طريق إنتاج بيروكسيد الهيدروجين ، والذي يمكن بعد ذلك أن يتأكسد كهروكيميائيا لإنتاج تيار ناتج.

بهذه الطريقة ، يمكن تحويل إشارة كيميائية إلى كهرباء. توضح هذه المؤامرة أن الأفلام التي تم فيها اقتران Geo X كيميائيا تنتج إشارة مضادة قوية في وجود الجلوكوز على عكس تلك الأفلام التي لا تحتوي على Geo X.تشير هذه النتائج إلى أنه يمكن تجميع Geo X على فيلم zam مترسب أو الاحتفاظ بالنشاط التحفيزي. علاوة على ذلك ، يتم إنتاج زيادة تدريجية في تيار الأذن استجابة لزيادة تركيزات الجلوكوز.

يوضح المنحنى القياسي الموجود أيضا أن الزيادات في الخطوة استمرت بطريقة شبه خطية تعتمد على كمية الجلوكوز المضافة. تظهر هذه النتائج أن الإنزيم يحتفظ أيضا بحساسيته عند الاقتران مع فيلم Razza كما هو موضح هنا ، يشتمل I two synthase على علامة Penta tyrosine. يعمل التيروزيناز على علامة التيروزين التي تؤكسد مجموعات الفينول المخلفات إلى o quinones ، والتي ترتبط بعد ذلك تساهميا بدليل أمين كازان على وظائف فيلم Kazam داخل a i two synthase بواسطة تجميع Tyrosinase لوحظ في هذه الصورة المضان التي تظهر فيلم كازا على الذهب حيث تم تصنيف I اثنين من سينسيز الوظيفي باللون الأزرق لأن I two synthase يولد I اثنين من الركيزة SAH بنفس الطريقة كخلايا المرسل ، فإن قربها من خلايا الاستقبال المختارة في وجود SAH يتسبب أيضا في استجابة خلايا الاستقبال بشكل فلوري عن طريق التعبير عن DS.

التألق الأحمر الأحمر لخلايا الاستقبال مرة أخرى التفاعل بين العناوين بسبب انتشار الذكاء الاصطناعي ، اثنان من واحد إلى آخر ، ويشير أيضا إلى أن 10 إنزيمات تم تجميدها لجزر الجزر تحتفظ بالنشاط بمجرد ربطها تساهميا. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية الإيداع الكهربائي لأفلام عديد السكاريد وكيفية تشغيلها باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. لقد أظهرنا التنوع في خطوات الوظيفية هذه مما يسمح لنا بالعمل مع العديد من المكونات البيولوجية في مزيد من الاختبارات.

بمجرد إتقانها ، يمكن تنفيذ هذه التقنية في أقل من بضع دقائق من أجل إنشاء أنماط فيلم محددة جيدا يمكن تطعيم المكونات البيولوجية عليها بدقة. وبهذه الطريقة ، نحن قادرون بسهولة على توليد أسطح منقوشة بيولوجيا ونشطة على أقطاب كهربائية مخصصة ، وكل ذلك يتم بطريقة منظمة ومع ذلك قادر على تحقيق تفاعلات بيولوجية معقدة. باتباع هذا الإجراء ، يمكن استخدام الإبداع في كل من تصميم المصفوفة الكهربائية وفي اختيار المكونات البيولوجية من أجل تحقيق تفاعل التصميم.

نأمل أن تربط أدوات التصنيع الحيوي بين مجالين متباينين ، التكنولوجيا الحيوية والإلكترونيات الدقيقة ، وقد أحدث كل منهما ثورة في حياتنا بشكل فردي. من خلال الربط بين هذين المجالين ، نعتقد أننا سنخلق حلولا جديدة لبعض مشاكل المجتمع الأكثر إلحاحا. على سبيل المثال ، نتصور أن التصنيع الحيوي قد يوفر طرقا بسيطة ومتعددة الاستخدامات لطرق جديدة للاستشعار ، ونقاط الرعاية ، وتشخيص الأمراض ، واستشعار التهديدات البيولوجية والكيميائية.

قد يكون أحد الأمثلة بعيدة المدى هو أن الجيل التالي من الدعامة الشريانية سيكون قادرا أيضا على مراقبة ملف التمثيل الغذائي الخاص بك بالإضافة إلى إبقاء الشريان مفتوحا.