利用有机电化学晶体管转导胞外电子传递活性
2025年1月31日
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。
我们的研究致力于开发整合细菌胞外电子传递（EET）的生物电子器件，以拓展生物传感与生物计算的应用。我们正在探索EET如何与电子材料相互作用、如何通过基因手段调控EET以优化电学性能，以及在包含活细胞的这些电化学系统中是否存在新的涌现特性。在细菌高还原性（HR）细胞或电子传递研究的进展中，研究人员利用合成生物学对EET通路进行工程化改造，采用电化学系统进行氧化还原状态监测，结合显微技术观察细胞活动，利用导电原子力显微镜和宏观电极分析电子流动，并运用诸如无人机拉曼光谱（UAVs Raman）等先进光谱技术对材料-生物学界面进行表征。
我们证明了经过基因工程改造的菌株对疾病的作用能够调节OECT的输出，从而实现由生物驱动的电学响应。研究结果包括阐明影响生物电子性能的直接与间接胞外电子传递（EET）途径，将基因逻辑与电信号结果相耦合，并通过EET调控基因可塑性。与传统的OECT研究相比，活细胞具有多项优势，例如可通过胞外电子传递实现动态的、可基因编程的调控，并能够利用细胞代谢实现实时响应。
与使用荧光报告基因的传统生物电路相比，OECT 用户可获得具有高灵敏度的快速直接电学结果。我们未来的工作包括扩展基因电路以驱动 EET，并开发表观遗传学或光遗传学技术，从而实现电子器件对 EET 基因表达的调控。我们还致力于构建控制回路，用于神经网络训练等应用。
最后，我们正在探索多种OECT沟道材料，并引入微流控技术和氧气生成系统，以进一步调控器件性能。首先，对有机电化学晶体管（OECT）载玻片、聚二甲基硅氧烷（PDMS）片材以及银/氯化银参比电极进行高压灭菌。将高压灭菌后的组件在80摄氏度下烘干。
将高压灭菌的OECT载玻片和银/氯化银参比电极转移至手套箱中。将PDMS片置于手套箱的前室中抽真空处理四小时，以去除 trapped 氧气。随后组装OECT器件时，将PDMS片覆盖在OECT载玻片上。
向每个OECT腔室中注入45微升希瓦氏菌基础培养基（Shewanella basal medium，SBM）。用PDMS片覆盖OECT腔室的端口，以防止培养基蒸发和污染。通过测量栅极电压从0逐步增加至0.2伏时的沟道电流IDS，开始进行初始的OECT电化学测量。
在恒定的沟道漏源电压（VDS）为 -0.05 伏和栅极电压（VGS）为 0.2 伏的条件下，监测 OECT 沟道漏极电流（IDS），直至电流稳定。将仪器通道一配置为测量 OECT 沟道电流 IDS。设置技术名称为快速安培法，平衡时间为 1 秒，平衡电压为 -0.05 伏，偏置电压为 -0.05 伏，运行时间为 14 秒，采样间隔为 0.5 毫秒。
接下来，将仪器的第二通道配置为控制栅极电压 VGS。将技术名称设置为混合模式，条件时间设置为 1 秒，条件电压设置为 0 伏特，第一阶段模式设置为恒定电位 E，第一阶段偏置电压设置为 0 伏特，第一阶段运行时间为 4 秒。
将第二阶段模式设为恒定E，第二阶段偏置电压设为0.2伏特。第二阶段运行时间设为10秒，采样间隔设为0.5毫秒。对所有OECT器件施加-0.05伏特的恒定沟道电压VDS和0.2伏特的栅极电压VGS。
将希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）悬液在1500 × g下离心4分钟，并用1毫升新鲜培养基将菌体沉淀洗涤3次。最后一次洗涤后，将菌体重悬于0.5毫升或原始培养体积的一半中，以获得浓度为OD600 1至3.5的浓缩菌悬液。将浓缩后的菌悬液转移至手套箱中。
在手套箱中使用预先脱气的培养基新鲜配制含乳酸盐的SBM，将细胞稀释至目标光密度为0.1，以制备接种液。停止恒电位仪运行。向含有45微升SBM的OECT腔室中注入5微升制备好的接种液，使最终吸光度达到0.01。
使用PDMS片覆盖OECT腔室的端口，以避免培养基蒸发和污染。对于厌氧培养，使用与生长培养基成分相同的稀释培养基将希瓦氏菌细胞培养液稀释十倍。停止恒电位仪后，向含有45微升SBM培养基的OECT腔室中注入5微升厌氧接种液。
用聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜覆盖OECT腔室的端口。对OECT通道施加恒定偏置电压，源漏电压VDS为-0.05伏，栅极电压VGS为0.2伏，持续24小时。仅在进行时间点测量以表征性能时，才将电位计从单个OECT器件上断开。
在最初的八小时内监测OECT沟道掺杂状态的显著变化。24小时后，通过轻轻旋转并推动银/氯化银参比电极穿过液体交换口，将其插入OECT腔室中。通过将栅极电压从-0.1伏扫描至0.6伏，同时在-0.05伏的恒定偏置电压VDS下监测沟道电流IDS，测量OECT的转移曲线。
同时，相对于参比电极测量准确的栅极和源极电势。将仪器通道一配置为使用计时安培法测量OECT沟道电流IDS。设定平衡时间为5秒，平衡电压为-0.05伏，偏置电压为-0.05伏，运行时间为35秒，采样间隔为0.09915秒。
然后将仪器的第二通道配置为使用线性扫描伏安法控制OECT的栅极电压VGS。平衡时间设置为5秒，平衡电压设置为-0.1伏，起始电压设置为-0.1伏。
将终止电压设为0.6伏特，电压步长设为0.002伏特，扫描速率为0.02伏特每秒。将仪器第三通道配置为使用开路电位法，测量OECT源极电位VS相对于银/氯化银参比电极的电位。
将运行时间设置为40秒，采样间隔设置为0.09915秒。将仪器第四通道配置为使用开路电位法，相对于参比电极测量OECT栅极电位VG。将运行时间设置为40秒，采样间隔设置为0.09915秒。
每次测量后，用70%乙醇冲洗参比电极，并用新的低绒布擦拭。电子传递活性的拟合速率常数在不同菌株间显示出显著差异，其中ΔMtrC和ΔMTR突变株的速率常数较野生型S. oneidensis MR-1降低。在诱导条件下，通过MtrC或MTRC AB对突变株进行互补，可使速率恢复至野生型水平。
OECT 通道电流在接种后 1.5 小时内即可快速检测电子转移活性，漏极源极电流及归一化漏极源极电流在不同菌株之间表现出具有统计学显著差异。非生物对照组和未诱导突变株显示极小变化，进一步验证了该杂交系统的高灵敏度。
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概述
本研究提出了一种利用有机电化学晶体管（OECTs）将脱硫弧菌（Shewanella oneidensis）的胞外电子传递（EET）活性转化为可测量电信号的实验方案。该杂合OECT系统增强了检测的稳健性和灵敏度，有助于实现EET测量的快速、高通量检测。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物电子学
- 胞外电子传递
- 电化学系统
背景
- 研究重点是将细菌的胞外电子传递（EET）与电子材料相整合。
- 探索EET的遗传调控机制，以提升电学性能。
- 研究含活细胞电化学系统中的涌现特性。
- 利用合成生物学技术设计和构建EET通路。
研究目的
- 开发利用胞外电子传递（EET）进行生物传感与生物计算的生物电子器件。
- 理解EET与电子材料之间的相互作用。
- 通过基因调控EET来优化电学性能。
使用方法
- 改造细菌细胞以调节OECT输出。
- 用于氧化还原监测的电化学系统。
- 用于分析细胞活动的显微镜技术。
- 用于表征材料-生物界面的先进光谱学方法。
主要结果
- 证明了基因工程改造的细菌可影响OECT的性能。
- 阐明了影响生物电子学的直接与间接电子传递途径。
- 将基因逻辑与电信号输出相耦合，实现更精确的调控。
- 展示了在生物电子学中利用活细胞实现动态响应的优势。
结论
- 通过电子传递（EET），活细胞可提供可编程的控制。
- 可利用细胞代谢实现实时电学响应。
- 研究结果有助于推动生物电子学应用的发展。
常见问题
行业高管相关性
利用有机电化学晶体管（OECTs）将微生物胞外电子传递（EET）转化为电信号，可实现对细胞活性的直接、快速和定量检测。这一能力提升了生物传感与生物计算应用中的预测可靠性，支持靶点的早期验证和功能筛选。将基因调控的EET与OECTs相结合，使该平台成为可重复使用、可扩展的高通量发现和合成生物学工作流程的接口。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 能够通过功能靶点验证，探究微生物电子传递通路。
- 通过将基因回路与可测量的电信号输出相关联，支持机制层面的风险评估。
- 通过直接电学监测工程菌株，实现快速假设验证。
筛选与检测方法开发
- 提供一个标准化的定量平台，用于评估不同微生物变体的胞外电子传递（EET）活性。
- 提供高灵敏度、实时的电信号输出，适用于可扩展的筛选。
- 实现对遗传和环境因素调控EET的可重复性评估。
转化与临床前研究
- 在适用情况下，将生物传感输出与疾病相关的微生物活性相匹配。
- 支持从合成生物学设计到生物电子界面临床前验证的连续性。
- 为生物计算和生物传感器开发流程提供可预测的风险评估。
流程与工作流整合
这种基于OECT的EET测量系统通过在工程化微生物与电子读出之间提供直接、定量的接口，实现了早期发现、筛选和转化研究之间的衔接。
- Discovery Biology：通过将遗传逻辑与电信号关联，加速假设验证和通路解析。
- Screening：标准化检测条件，实现对EET调节干预措施的可重复、高通量评估。
- Analytics：提供定量电流测量，并对不同菌株和条件之间进行统计学区分。
- Translational Research：促进生物传感器输出与人类健康或工业应用相关的微生物功能活动之间的关联。
- Enterprise Reuse：建立一个模块化、可编程的平台，可适应多种合成生物学和生物电子学项目。
运营与企业影响
- 科学价值：提高微生物-电子界面研究的预测置信度，降低机制上的模糊性。
- 操作价值：增强胞外电子传递（EET）测量的标准化、可重复性和可扩展性。
- 战略价值：优化生物传感器和生物计算开发中的可行性决策，提升资本使用效率。
- 组合影响：实现对合成生物学和生物电子资产的风险调整后优先排序。
实施注意事项
- 需要具备合成生物学、电化学和器件制备方面的专业知识。
- 需要具备有机电化学晶体管（OECT）仪器设备以及用于电学测量的分析基础设施。
- 需要跨团队对遗传构建体和检测方案进行标准化。
- 在不同微生物种类或沟道材料间的应用可能需要优化实验方案。
- 性能可能受到菌株特异性胞外电子传递能力及环境条件的影响。
生物制药常见问题
Chapters in this video
0:00
Introduction
2:15
Preparation of Organic Electrochemical Transistor (OECT) Devices for Extracellular Electron Transfer Monitoring
3:50
Channel Current Measurements from Organic Electrochemical Transistors (OECTs) Inoculated with Shewanella oneidensis
9:47
Representative Results
