ترجمة أنشطة نقل الإلكترون خارج الخلية باستخدام الترانزستورات الكهروكيميائية العضوية

يركز بحثنا على تطوير الإلكترونيات الحيوية التي تدمج نقل الإلكترون البكتيري خارج الخلية أو EET لتوسيع تطبيقات الاستشعار الحيوي والحوسبة الحيوية. نحن نبحث عن إجابات حول كيفية تفاعل EET مع المواد الإلكترونية ، وكيفية تنظيم EET وراثيا من أجل تحسين الأداء الكهربائي وما إذا كانت هناك ميزات ناشئة جديدة في هذه الأنظمة الكهروكيميائية التي تحتوي على خلايا حية. تستخدم التطورات في أبحاث نقل الخلايا البشرية البكتيرية أو نقل الإلكترون البيولوجيا التركيبية لهندسة مسارات EET ، والنظام الكهروكيميائي لمراقبة الأكسدة والاختزال ، على سبيل المثال ، والفحص المجهري لأنشطة الخلية ، وإجراء الفحص المجهري للقوة الذرية والأقطاب الكهربائية الكلية لتحليل تدفق الإلكترون والتحليل الطيفي المتقدم مثل الطائرات بدون طيار رامان لتوصيف واجهة بيولوجيا المواد.

لقد أظهرنا أن المعدل الوراثي الموضح على المرض يمكن أن يعدل مخرجات OECT ، مما يتيح الاستجابات الكهربائية المدفوعة بيولوجيا. تشمل النتائج توضيح مسارات EET المباشرة وغير المباشرة التي تؤثر على أداء الإلكترونيات الحيوية ، وربط المنطق الجيني بالنتائج الكهربائية وضبط اللدونة الجينية عبر EET. بالمقارنة مع عمل OECT التقليدي ، توفر الخلايا الحية مزايا مثل الضوابط الديناميكية القابلة للبرمجة وراثيا من خلال نقل الإلكترون خارج الخلية والقدرة على الاستفادة من التمثيل الغذائي الخلوي للاستجابات في الوقت الفعلي.

بالمقارنة مع الدوائر البيولوجية التقليدية التي تستخدم مراسلي التألق ، يوفر مستخدمو OECT نتائج كهربائية مباشرة أسرع بحساسية عالية. يتضمن عملنا المستقبلي توسيع الدوائر الجينية لدفع EET وتطوير علم التخلق أو علم البصريات الوراثي لتمكين الإلكترونيات من تعديل التعبير الجيني EET. نحن مهتمون أيضا بإنشاء حلقات تحكم لتطبيقات مثل تدريب الشبكات العصبية.

أخيرا ، نستكشف مواد قناة OECT المتنوعة وإدراج الموائع الدقيقة وإنشاء توليد الأكسجين لمزيد من التحكم في أداء الجهاز. لبدء الأوتوكلاف الترانزستور الكهروكيميائي العضوي أو شرائح OECT ، صفائح polydimethylsiloxane أو PDMS والفضة ، القطب المرجعي كلوريد الفضة. اخبز مكونات الأوتوكلاف على حرارة 80 درجة مئوية لتجفيفها.

انقل شرائح الأوتوكلاف OECT والقطب المرجعي الفضي وكلوريد الفضة إلى صندوق القفازات. قم بإخضاع صفائح PDMS لفراغ في الغرفة المضادة لصندوق القفازات لمدة أربع ساعات لامتصاص الأكسجين المحبوس. ثم لتجميع جهاز OECT ، ضع أوراق PDMS فوق شرائح OECT.

حقن 45 ميكرولتر من الوسط القاعدي Shewanella ، أو SBM في كل غرفة OECT. قم بتغطية منافذ غرفة OECT بألواح PDMS لمنع التبخر المتوسط والتلوث. ابدأ القياس الكهروكيميائي الأولي OECT عن طريق قياس IDS تيار القناة لخطوة جهد البوابة من صفر إلى 0.2 فولت.

راقب تيار مسار تصريف قناة OECT أو IDS تحت جهد مصدر تصريف قناة ثابت أو VDS سالب 0.05 فولت وجهد البوابة VGS 0.2 فولت حتى يستقر التيار. قم بتكوين قناة الجهاز الأولى لقياس معرفات IDS الحالية لقناة OECT. اضبط اسم التقنية على قياس التمبير السريع ، ووقت التوازن إلى ثانية واحدة ، وجهد التوازن إلى سالب 0.05 فولت ، والجهد التحيز إلى سالب 0.05 فولت ، ووقت التشغيل إلى 14 ثانية ، والفاصل الزمني للعينة إلى 0.5 مللي ثانية.

بعد ذلك ، قم بتكوين قناة الجهاز الثانية للتحكم في جهد البوابة VGS. اضبط اسم التقنية على الوضع المختلط ، ووقت الشرط إلى ثانية واحدة ، وجهد الشرط إلى صفر فولت ، ووضع المرحلة الأولى إلى الثابت E ، والمرحلة الأولى من جهد التحيز إلى صفر فولت. مرحلة وقت تشغيل واحد إلى أربع ثوان.

المرحلة الثانية من الوضع إلى الثابت E ، المرحلة الثانية من جهد التحيز إلى 0.2 فولت. المرحلة الثانية من وقت التشغيل إلى 10 ثوان والفاصل الزمني للعينة إلى 0.5 مللي ثانية. قم بتطبيق جهد قناة ثابت VDS سالب 0.05 فولت وجهد بوابة VGS بمقدار 0.2 فولت على جميع أجهزة OECT.

جهاز طرد مركزي معلق Shewanella oneidensis عند 1500 3G لمدة أربع دقائق وغسل بيليه الخلية ثلاث مرات باستخدام مليلتر واحد من وسط النمو الطازج. بعد الغسيل الأخير ، أعد تعليق الخلايا في 0.5 ملليلتر أو نصف حجم الثقافة الأصلي للحصول على تعليق خلوي مركز بكثافة بصرية 600 من واحد إلى 3.5. انقل تعليق الخلية المركز إلى صندوق القفازات.

تحضير اللقاح عن طريق تخفيف الخلايا إلى كثافة بصرية مقصودة تبلغ 0.1 ، باستخدام SBM + المكمل باللاكتات المحضرة حديثا في صندوق القفازات مع مخزون الوسائط المطهرة. أوقف البوتينسيوستات. حقن خمسة ميكرولترات من اللقاح المحضر في غرفة OECT التي تحتوي على 45 ميكرولتر SBM لتحقيق امتصاص نهائي يبلغ 0.01.

قم بتغطية منافذ غرفة OECT بألواح PDMS لتجنب التبخر المتوسط والتلوث. بالنسبة للثقافات اللاهوائية ، قم بتخفيف زراعة خلايا شيوانيلا عشرة أضعاف باستخدام وسط تخفيف بنفس دستور وسط النمو. بعد إيقاف potentiostat, حقن خمسة ميكرولتر من اللقاح اللاهوائي في غرفة OECT, تحتوي على 45 ميكرولتر من SBM متوسط.

قم بتغطية منافذ غرفة OECT بأوراق PDMS. قم بتطبيق جهد متحيز ثابت على قنوات OECT بجهد قناة VDS سالب 0.05 فولت ، وجهد البوابة VGS يبلغ 0.2 فولت لمدة 24 ساعة. افصل الإحصائيات المحتملة عن أجهزة OECT الفردية فقط أثناء قياسات النقطة الزمنية للتوصيف.

مراقبة التغيرات الكبيرة في حالة المنشطات قناة OECT خلال الساعات الثماني الأولى. بعد 24 ساعة ، أدخل القطب المرجعي الفضي والكلوريد الفضي في غرفة OECT عن طريق لفه برفق ودفعه عبر منفذ تبادل السوائل. قم بقياس منحنيات نقل OECT عن طريق كنس جهد البوابة من سالب 0.1 فولت إلى 0.6 فولت أثناء مراقبة IDS الحالي للقناة بجهد تحيز ثابت VDS سالب 0.05 فولت.

في الوقت نفسه ، قم بقياس إمكانات البوابة الدقيقة وقطب المصدر مقابل القطب المرجعي. قم بتكوين قناة الجهاز الأولى لقياس IDS الحالي لقناة OECT باستخدام تقنية قياس التيار الزمني. اضبط وقت التوازن على خمس ثوان، وجهد التوازن على سالب 0.05 فولت، وجهد التحيز إلى سالب 0.05 فولت، ووقت التشغيل إلى 35 ثانية، والفاصل الزمني للعينة إلى 0.09915 ثانية.

ثم قم بتكوين قناة الجهاز الثانية للتحكم في جهد بوابة OECT VGS باستخدام قياس الفولتامتر الخطي. اضبط وقت التوازن على خمس ثوان ، جهد التوازن على 0.1 فولت تحت الصفر. ابدأ الجهد إلى 0.1 فولت تحت الصفر.

نهاية الجهد إلى 0.6 فولت. خطوة الجهد إلى 0.002 فولت ومعدل المسح الضوئي إلى 0.02 فولت في الثانية. قم بتكوين قناة الجهاز الثالثة لقياس جهد مصدر OECT مقابل القطب المرجعي الفضي وكلوريد الفضة باستخدام قياس جهد الدائرة المفتوحة.

اضبط وقت التشغيل على 40 ثانية والفاصل الزمني للعينة على 0.09915 ثانية. قم بتكوين قناة الجهاز الرابعة لقياس جهد بوابة OECT VG مقابل القطب المرجعي باستخدام قياس جهد الدائرة المفتوحة. اضبط وقت التشغيل على 40 ثانية والفاصل الزمني للعينة إلى 0.09915 ثانية.

بعد كل قياس ، اشطف القطب المرجعي بنسبة 70٪ من الإيثانول وامسحه بمنشفة جديدة منخفضة الوبر. أظهرت ثوابت المعدل الملائمة لنشاط نقل الإلكترون اختلافات كبيرة بين السلالات مع طفرات Delta MtrC و Delta MTR التي تعرض ثوابت مخفضة مقارنة بالنوع البري S.oneidensis MR-1. استكمال الطفرات مع MtrC أو MTRC AB أعاد المعدلات إلى مستويات النوع البري في ظل ظروف المحفز.

أظهر تيار قناة OECT اكتشافا سريعا لنشاط نقل الإلكترون مع تيار مصدر التصريف وتيار مصدر التصريف الطبيعي الذي يظهر اختلافات ذات دلالة إحصائية بين السلالات في غضون 1.5 ساعة بعد التلقيح. أظهرت الضوابط اللاأحيائية والطفرات غير المستحثة تغييرات طفيفة تعزز حساسية النظام الهجين.