Translating Extracellular Electron Transfer Activities with Organic Electrochemical Transistors

Yang Gao; Yuchen Zhou; Xudong Ji; Austin J. Graham; Christopher M. Dundas; Ismar E. Miniel Mahfoud; Bailey M. Tibbett; Benjamin Tan; Gina Partipilo; Ananth Dodabalapur; Jonathan Rivnay; Benjamin K. Keitz

doi:10.3791/67928

Translation extrazellulärer Elektronentransferaktivitäten mit organischen elektrochemischen Trans...

JoVE Journal
Bioengineering

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JoVE Journal Bioengineering

Translating Extracellular Electron Transfer Activities with Organic Electrochemical Transistors

Translation extrazellulärer Elektronentransferaktivitäten mit organischen elektrochemischen Transistoren

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10:44 min

January 31, 2025

DOI: 10.3791/67928-v

Yang Gao¹, Yuchen Zhou^2,3, Xudong Ji^4,5, Austin J. Graham^1,6, Christopher M. Dundas^1,7, Ismar E. Miniel Mahfoud¹, Bailey M. Tibbett¹, Benjamin Tan^3,8, Gina Partipilo¹, Ananth Dodabalapur^2,3, Jonathan Rivnay^4,5, Benjamin K. Keitz¹

¹McKetta Department of Chemical Engineering,University of Texas at Austin, ²Department of Electrical and Computer Engineering,The University of Texas at Austin, ³Microelectronics Research Center,The University of Texas at Austin, ⁴Department of Biomedical Engineering,Northwestern University, ⁵Simpson Querrey Institute,Northwestern University, ⁶Department of Pharmaceutical Chemistry,University of California San Francisco, ⁷Department of Biology,Stanford University, ⁸Department of Chemistry,University of Texas at Austin

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study presents a protocol for utilizing organic electrochemical transistors (OECTs) to convert extracellular electron transfer (EET) activity in Shewanella oneidensis into measurable electrical signals. The hybrid OECT system enhances robustness and sensitivity, facilitating rapid and high-throughput testing for EET measurements.

Key Study Components

Area of Science

Bioelectronics
Extracellular electron transfer
Electrochemical systems

Background

Research focuses on integrating bacterial EET with electronic materials.
Exploration of genetic regulation of EET for improved electrical performance.
Investigation of emergent features in electrochemical systems with living cells.
Use of synthetic biology to engineer EET pathways.

Purpose of Study

To develop bioelectronics that leverage EET for biosensing and biocomputing.
To understand the interaction between EET and electronic materials.
To optimize electrical performance through genetic modulation of EET.

Methods Used

Engineering of bacterial cells to modulate OECT outputs.
Electrochemical systems for redox monitoring.
Microscopy techniques for analyzing cell activities.
Advanced spectroscopy methods for characterizing material-biology interfaces.

Main Results

Demonstrated that genetically engineered bacteria can influence OECT performance.
Illustrated direct and indirect EET pathways affecting bioelectronics.
Coupled genetic logic to electrical outputs for enhanced control.
Showed advantages of using living cells for dynamic responses in bioelectronics.

Conclusions

Living cells provide programmable controls through EET.
Cellular metabolism can be leveraged for real-time electrical responses.
Findings contribute to the advancement of bioelectronic applications.

Frequently Asked Questions

What is the significance of EET in bioelectronics?

EET is crucial for developing bioelectronics as it allows for the integration of biological processes with electronic systems, enhancing functionality.

How do genetically engineered bacteria affect OECT outputs?

Genetically engineered bacteria can modulate the electrical signals produced by OECTs, enabling more precise control over bioelectronic devices.

What methods are used to monitor EET?

Techniques include electrochemical systems for redox monitoring, microscopy for cell activity analysis, and advanced spectroscopy for interface characterization.

What advantages do living cells offer in this research?

Living cells provide dynamic, genetically programmable controls and can utilize cellular metabolism for real-time responses in bioelectronic applications.

What are the potential applications of this research?

This research has implications for biosensing, biocomputing, and the development of advanced bioelectronic devices.

How does synthetic biology contribute to this study?

Synthetic biology is used to engineer EET pathways, enhancing the interaction between biological systems and electronic materials.

Hier stellen wir ein Protokoll für die Verwendung von organischen elektrochemischen Transistoren (OECTs) vor, um die Aktivität des extrazellulären Elektronentransfers (EET) in Shewanella oneidensis in elektrische Signale zu übersetzen. Das hybride OECT-System bietet eine verbesserte Robustheit, Empfindlichkeit und das Potenzial für schnelle Tests mit hohem Durchsatz, was es zu einem effektiven Werkzeug für EET-Messungen macht.

Unsere Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung von Bioelektronik, die den bakteriellen extrazellulären Elektronentransfer (EET) integriert, um Biosensorik und Biocomputing-Anwendungen zu erweitern. Wir suchen nach Antworten darauf, wie EET mit elektronischen Materialien interagiert, wie EET genetisch reguliert werden kann, um die elektrische Leistung zu optimieren, und ob es neue emergente Funktionen in diesen elektrochemischen Systemen gibt, die lebende Zellen enthalten. Fortschritte in der bakteriellen HR-Zell- oder Elektronentransferforschung nutzen die synthetische Biologie für die Entwicklung von EET-Signalwegen, elektrochemische Systeme für die Redoxüberwachung zum Beispiel und die Mikroskopie von Zellaktivitäten, die Durchführung von Rasterkraftmikroskopie und Makroelektroden für die Elektronenflussanalyse und fortschrittliche Spektroskopie wie UAVs Raman für die Charakterisierung von Grenzflächen in der Materialbiologie.

Wir zeigen, dass gentechnisch veränderte Stoffe, die an Krankheiten gezeigt werden, die OECT-Ausstoßung modulieren und biologisch gesteuerte elektrische Reaktionen ermöglichen können. Zu den Ergebnissen gehören die Veranschaulichung der direkten und indirekten EET-Signalwege, die sich auf die Leistung der Bioelektronik auswirken, die Kopplung genetischer Logik an elektrische Ergebnisse und die Abstimmung der genetischen Plastizität über EET. Im Vergleich zur traditionellen OECT-Arbeit bieten lebende Zellen Vorteile wie dynamische, genetisch programmierbare Steuerungen durch extrazellulären Elektronentransfer und die Möglichkeit, den Zellstoffwechsel für Echtzeitreaktionen zu nutzen.

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