本文介绍了一种利用有机电化学晶体管（OECTs）将Shewanella oneidensis的胞外电子传递（EET）活性转化为电信号的实验方案。这种杂化OECT系统具有更高的稳定性、灵敏度以及实现快速、高通量检测的潜力，是进行EET测量的有效工具。
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本文内容
摘要
摘要
胞外电子传递（EET）是一类特定微生物通过细胞膜将电子传递给外部电子受体的过程，从而将细胞代谢与其所处环境相连接。尽管目前EET研究主要以Geobacter和Shewanella为模型，但新兴研究表明，具有EET活性的物种也与发酵过程及人类肠道微生物组相关。利用EET连接生物系统与电子系统的潜力，本文介绍了一种使用有机电化学晶体管（OECT）将微生物EET活性转化为易于检测的电信号的实验方案。该系统可将细胞对外界刺激的响应应用于生物传感与生物计算。具体而言，我们证明了OECT中p型聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）通道的去掺杂过程由Shewanella oneidensis的细胞EET驱动。通过基因线路对EET通量进行转录水平调控，我们验证了该杂合OECT系统检测化学刺激物（如诱导分子）的生物传感能力。此外，我们在细胞内引入基于质粒的布尔逻辑门，使其能够处理环境信号并驱动OECT中的电流变化，进一步展示了这些器件在生物计算方面的潜力。该方法为生物系统与电子器件之间提供了全新的接口，有望推动未来高通量筛选、生物传感及生物计算等应用的发展。
引言
能够将生物和化学活动转导并放大为电信号的器件在诸多领域中至关重要，例如传感1,2、神经形态计算3,4以及可穿戴电子设备5。其中，有机电化学晶体管（OECTs）因其与水相环境的兼容性以及低工作电压，已成为生物系统与电子读出系统之间卓越的界面器件6,7。OECTs 与传统电子器件不同，其利用电解质中的离子来调控有机沟道的电导率，通过耦合离子与电子传输实现极高的跨导性能8。这些特性使 OECTs 成为连接生物系统与电子器件的理想选择，因其能够放大微弱的生物信号并将其转化为电信号输出。
有机电化学晶体管（OECT）通过离子扩散改变混合离子-电子导电沟道的掺杂状态来工作，通常通过在栅极施加电压来控制这一过程。然而，生物反应或氧化还原反应也能改变沟道的电导率，从而使OECT能够响应多种化学和生物刺激。通过在OECT上修饰脂质双层、离子通道或生物分子，可使其检测特定分析物，因此在传感应用中具有实用价值9
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方案
注意：所有化学品均未经进一步纯化直接使用。若无特殊说明，均使用分析纯化学品。
1. OECT 器件的制备
注意：OECT 器件采用标准的微加工技术在石英显微镜载玻片上制备，该技术借鉴自先前的研究24。如图 2A所示，八个 OECT 器件排列在一个标准载玻片上。将预先切割的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄片放置在载玻片上，以形成 OECT 腔室和通路端口。OECT 通道和栅极电极均采用 p 型导电聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）材料，通道尺寸为 150 µm × 10 µm，栅极尖端尺寸为 500 µm × 500 µm（图 2B）。OECT 通道制备及器件组装流程的概要如图 2C所示。
- 金电极的制备
- 用丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水（DI水）冲洗石英片进行清洗，然后用N2气体吹干。
- 使用50 sccm 的O2等离子体在150 W功率下清洗120秒。
- 分两步旋涂AZ5209e光刻胶（....
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结果
拟合速率常数 k
OECT 通道电流 IDS 的拟合速率常数 k 可作为评估样品胞外电子传递（EET）活性的可靠指标。尽管恒定的栅极偏压会影响速率常数，我们选择 0.2 V 的偏压，以确保施加正向偏压促进细菌电子传递，同时避免在较高栅压下发生快速去掺杂，并尽量减少对细菌细胞的电化学应力23。选择 -0.05 V 的漏极电压，以确保在对细菌细胞施加最小电化学应力的前提下获得可靠的电流测量结果。在这些条件下，拟合得到的速率常数能够显著区分不同菌株之间的 EET 活性差异。例如，EET 缺陷型菌株 ΔmtrC 和 ΔMtr 的拟合速率常数显著低于野生型 S. oneidensis MR-1（图 4A、B）。为恢复 EET 通量，通过引入 mtrC 和 mtrCAB 缓冲门控系统对 ΔmtrC
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讨论
电化学电池（EC）比较
从OECT沟道电流拟合速率常数的一个主要优势在于，它通过关注电流变化的基本动力学过程，最大限度地减少了器件间的差异DS 相较于传统电化学电池（EC），该方法结合了有机场效应晶体管（OECT）固有的信号放大能力，能够增强杂化OECT系统的鲁棒性，且关注的是信号变化而非原始输出。例如，在每次24小时OECT实验结束后，通过扫描栅极电压V来测量转移曲线GS 从 -0.1 到 0.6 V。通过将栅极连接至工作电极（WE），将源极连接至对电极（CE）和参比电极（RE），在栅极与源极之间形成一个双电极EC，测得的IGS 即为工作电极（WE）的电流。因此，我GS 代表可与同一实验中OECT拟合速率常数进行比较的传统电化学结果。如图所示 图7A，IGS 诱导与非诱导的 mtrC+mtrC 菌株的重叠区域比 Mtr+ 更多mtrCAB 菌株（
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披露
作者声明无竞争利益。
致谢
NAND 电路的基础质粒由 Voigt 实验室通过 Addgene 慷慨提供（#49375、#49376、#49377）。本研究得到了 Welch 基金会（资助号 F-1929，B.K.K.）、美国国立卫生研究院（资助号 R35GM133640，B.K.K.）、美国国家科学基金会 CAREER 奖（1944334，B.K.K.）以及美国空军科学研究办公室（资助号 FA9550-20-1-0088，B.K.K.）的经费支持。A.J.G. 获得了美国国家科学基金会研究生研究奖学金（项目资助号 DGE-1610403）的支持。作者感谢德克萨斯材料研究所、动态与材料控制中心（美国国家科学基金会材料研究科学与工程中心，DMR-1720595）以及美国国家科学基金会国家纳米技术协调基础设施（ECCS-1542159）部分支持的共享研究设施的使用。我们衷心感谢德克萨斯大学奥斯汀分校细胞与分子生物学研究所核心显微镜实验室所提供的设施支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3-氧代己酰基高丝氨酸内酯 | Sigma-Aldrich | ||
| 盐酸脱水四环素 | VWR | ||
| 酪蛋白氨基酸 | VWR | ||
| 仪器 | |||
| 乙二醇 | Sigma-Aldrich | 无水，99.8% | |
| HEPES缓冲液 | VWR | 水溶液，1 M，pH = 7.3 | |
| 异丙基-β-D-硫代半乳糖吡喃糖苷ß | Teknova | ||
| 硫酸卡那霉素 | Growcells | ||
| 七水合硫酸镁(II) | VWR | ||
| PEDOT:PSS水性悬浮液 | Heraeus Epurio LLC | Clevios PH1000 | |
| 磷酸氢二钾 | Sigma-Aldrich | ||
| 磷酸二氢钾 | Sigma-Aldrich | ||
| 恒电位仪 | PalmSens BV | MultiPalmSens4 | |
| 石英显微镜载玻片 | AdValue | FQ-S-003 | |
| 石英显微镜载玻片 | |||
| 氯化钠 | VWR | ||
| DL-乳酸钠 | TCI | 水溶液，60% | |
| 富马酸钠 | VWR | 98% | |
| 硫酸 | Sigma-Aldrich | 95.0%-98.0% | |
| 双组分硅酮弹性体 | Electron Microscopy Sciences | Sylgard184 | |
| Wolfe's微量元素混合物 | ATCC |
参考文献
- Luo, Y. F., et al. Technology roadmap for flexible sensors. Acs Nano. 17 (6), 5211-5295 (2023).
- Din, M. O., Martin, A., Razinkov, I., Csicsery, N., Hasty, J. Interfacing gene circuits with microelectronics through engineered population dynamics. Sci Ad. 6 (21), e....
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重印与许可
