גישור ממשק ביו אלקטרונית עם Biofabrication

המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא להפקיד באופן חשמלי סרטים ביו-פולימריים ולהפוך אותם לפונקציונליים עם רכיבים ביולוגיים כגון חלבונים ותאים. תצהיר אלקטרו מושג על ידי ניצול שינוי ה-pH המתרחש באופן מקומי באלקטרודה מוטה בשילוב עם תמיסת פוליסכריד מגיבה ל-pH. עם בחירת אסטרטגיית תצהיר קתרטית או אנודית, האלקטרודה מוטה כדי להפעיל מעבר ג'ל נשמה, היוצר סרט דק בעל דפוס המוגדר על ידי הגיאומטריה האלקטרו.

יתר על כן, ניתן להכניס רכיבים ביולוגיים כגון חלבונים ותאים לאורך תהליך שקיעת האלקטרודות. על מנת לבצע תפקוד ביולוגי של הסרט מתקבלות תוצאות המראות שרכיבים ביולוגיים ממוקמים בסרטים על סמך הדמיה פלואורסצנטית. בנוסף, הרכיבים פונקציונליים ומסוגלים לקיים אינטראקציה עם סביבתם המודגמת על ידי זיהוי אלקטרוכימי של פעילות אנזימטית ושימוש בתגובת תא מדווח.

ייצור ביולוגי מספק ארגז כלים חדשני לבניית הממשק בין ביולוגיה ואלקטרוניקה. אנו מאמינים שיתרונותיו העיקריים הם פשטותו ויכולתו להרכיב בתנאים פיזיולוגיים קרובים. ביולוגיה מומחית בייצור בקנה מידה ננומטרי באמצעות הרכבה עצמית ואמצעים אנזימטיים על ידי גיוס יכולות אלה, אנו עוקפים שיטות סינתזה מורכבות, מסוכנות וגוזלות זמן שטכניקות הרכבה אחרות משתמשות בהן.

הצוות המשותף שלנו קיבל את הרעיון לבנות את ממשק מכשיר ה-BioD באמצעות חומרים ומנגנונים ביולוגיים כאשר ראינו שהעפיפונים שלהם יכולים להיות מופקדים אלקטרודות. כיתן הוא פוליסכריד היוצר סרט מגיב ל-pH שיכול לזהות אותות חשמליים המופעלים על ידי המכשיר ולשקע כסרט דק. ברגע שראינו שניתן להפקיד אלקטרודות, הבנו שאנחנו יכולים לגשת לחבילה רחבה יותר של כלים מביוכימיה וביולוגיה מולקולרית כדי לבנות ממשק של התקן BioD.

היישום של טכניקה כזו משתרע על הגדרות שבב מעבדה שבהן נדרשים רכיבים ביולוגיים פונקציונליים מכיוון שהם מספקים דרך זולה וקלה למקם רכיבים כאלה על אלקטרודה שבה הם יכולים להישאר ברי קיימא. הדגמה ויזואלית של שיטה זו היא קריטית מכיוון שסרט ביו-פבריקט יכול להיות ייעודי ולהינזק בקלות. ככזה, יש להיזהר לא להיות קשוח מדי בזמן כביסה או צילום הסרט.

כפי שאפשר לכנות את הסרט, קל להפריע לו. עם זאת, כיתרון, ניתן לעשות שימוש חוזר באלקטרו מכיוון שהסרט מוסר בקלות. כדי להתחיל בפרוטוקול זה, חבר ספק כוח לאלקטרודות המיוצרות בהתאמה אישית באמצעות כבלי תיקון באמצעות תפסי תנין.

תחמוצת פח אינדיום או שקופית זכוכית מכוסה ITO תשמש כאנודה או רדיד פלטינה אלקטרודה עובדת ישמש כמיקום הקתודה או האלקטרודה הנגדית את האלקטרודה כך שמשטח ה-IT O לתפקוד מתנגד לאלקטרודה הנגדית באופן שמשטח ה-IT O ממוקם אנכית לטבילה בתמיסה או אופקית, כך שניתן להכיל את התמיסה על פני השטח. לאחר מכן, הכינו תמיסת שקיעת אלגינט על ידי ערבוב של 1% אלגינט ו-0.5% סידן פחמתי במים מזוקקים וחיטויט התערובת. לאחר מכן סמן פלואורסצנטי אלגינט עם כדורי פלואור על ידי ערבוב ומערבולת.

זה יאפשר הדמיה פלואורסצנטית של הסרט המתקבל לאחר החיטוי, התמיסה טובלת את שתי האלקטרודות בתמיסת התצהיר המוכנה ומפעילה צפיפות זרם קבועה של שלושה אמפר למטר בריבוע למשך שתי דקות. כרךtage יעבור בטווח של שניים עד שלושה וולט לאחר שתי דקות, נתק את האלקטרודה והסר את התמיסה שאינה משקעים. שטפו בעדינות את הסרט בנתרן כלורי כדי להסיר אלגינט מיותר.

דגרו את הסרט לזמן קצר בסידן כלורי 0.1 מולארי כדי לחזק את הג'ל. לאחר מכן הסרט מודגר בתמיסת האחסון הרצויה. המשך לצלם את הסרט באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי לפני תצהיר משותף.

גדל תרבית תאים שולח אותות, ותרבית תאים של מקבל אותות לפי ההוראות בפרוטוקול הכתוב הנלווה לסרטון זה. לאחר מכן, הכינו תמיסת תצהיר של אלגינט וסידן פחמתי. מערבבים את התמיסה עם כל תרבית תאים ביחס של אחד לאחד לריכוז סופי של 1% אלגינט ו-0.5% סידן פחמתי כאשר התאים מדוללים לכמחצית מצפיפות התרבית.

השתמש בשקופית זכוכית בדוגמת שתי אלקטרודות ITO המכילות באר פולי דימתיל סילאן ואלקטרודה נגדית פלטינה. חבר אלקטרודת ITO אחת ואת אלקטרודת הפלטינה לאספקת חשמל. כמו קודם, טבלו את האלקטרודות בתמיסת התצהיר המכילה את תאי המקלט.

הגדר את ספק הכוח לזרם קבוע בצפיפות של שלושה אמפר למטר בריבוע, כאשר ממד שטח הפנים מוגדר על ידי האלקטרודה היחידה שעליה תתרחש התצהיר. החל את הזרם למשך שתי דקות כדי לאפשר שקיעה משותפת של התאים במטריצת האלגינט. שטפו את הסרט בנתרן כלורי כמו קודם, העבירו את החיבור האנטי לאלקטרודה ITO הסמוכה.

חזור על הליך התצהיר אך הפעם. הצגת הפתרון המכיל את תאי השולח. דגרו את שבב שתי האלקטרודות המכיל את התאים המופקדים וסידן ארגנט למשך הלילה ב-37 מעלות צלזיוס בתמיסת מלח חוצצת פוספט.

בתוספת של 10% LB וסידן כלורי מילימולרי אחד. לאחר הדגירה צלם את השבב באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי כדי להתחיל בתצהיר אלקטרודות צ'יטוזן. חבר את ספק הכוח לאלקטרודות.

קליפס תנין אש. שבב סיליקון מצופה זהב ישמש כקתודה ונייר פלטינה ישמש כאנודה. מקם את משטח אלקטרודת הזהב כך שיציג את האלקטרודה הנגדית כמו קודם.

הכינו תמיסת חול קאטו על ידי ערבוב פתיתי חול קאטו למים והוספה איטית של שני מימן כלורי מולארי כדי להמיס את הפוליסכרידים. בעקבות ההליך המוזכר בטקסט, ניתן לתייג את תמיסת החול של קאטו באופן פלואורסצנטי על מנת לדמות את הסרט המופקד באלקטרודה על ידי מיקרוסקופ פלואורסצנטי במקום הבא. האלקטרודות לתמיסת הקאיזן מטביעות לחלוטין את האזור הרצוי לתצהיר.

במשך שתי דקות הפעל זרם קבוע המחושב בצפיפות של ארבעה אמפר למטר בריבוע בהתבסס על שטח הפנים של האלקטרודות העובדות. במקרה זה, זרם של 16 מיקרואמפר מופעל על מתח אלקטרודה זהב של ארבעה מילימטר מרובע ישתנה בטווח של שניים עד שלושה וולט לאחר שטיפה באלקטרודה במים נטולי יונים כדי להסיר צ'יטוזן מיותר. המשך לצלם את הסרט באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי, קופוס צ'יטוזן וגלוקוז אוקסידאז מתמיסה בצפיפות זרם של ארבע רמפות למטר בריבוע על גבי אלקטרודה מעוצבת.

על פי נוהל תצהיר האלקטרודות של צ'יטוזן, ייווצר סרט קאיזן הכלוא בגלוקוז אוקסידאז. חבר את האלקטרודה המטופלת למערכת שלוש אלקטרודות כאלקטרודה העובדת, חוט פלטינה כאלקטרודה הנגדית וכסף, כסף כלוריד כאלקטרודת הייחוס, טבלו את האלקטרודות בתמיסת חיץ פוספט המכילה נתרן כלורי. צימוד אלקטרוכימי של החלבון לסרט Kazam על ידי הפעלת מתח קבוע למשך 60 שניות באמצעות פירומטריית כרונו לאחר הצימוד.

הנח את השבב במאגר פוספט ושטוף במשך 10 דקות על שייקר אורביטלי כדי להסיר כל נתרן כלורי לא מגיב וגלוקוז אוקסידאז לא מצומד. חבר מחדש את מערכת שלוש האלקטרודות וטבול תמיסה של גלוקוז של חמישה מילימולרים. לאחר מכן הגדר את פרמטרי הרצון עבור טלמטריית נפח מחזורית כדי לטאטא את הפוטנציאל בכיוון חיובי ל-0.7 וולט.

הסר את האלקטרודות מתמיסת הגלוקוז ושטוף עם מאגר פוספט. לאחר מכן הנח את האלקטרודות בתוך של 10 מיליליטר המכילה שמונה מיליליטר של מאגר פוספט על הטיה של צלחת ערבוב מגנטית. ה-GOX תפעל את השבב ל-0.6 וולט כדי לשמש כאלקטרודה העובדת.

לאחר קביעת פרמטרי הרצון, אסוף הקלטה בסיסית. הוסף אליקוט של גלוקוז למאגר כדי להגדיל את ריכוז הגלוקוז בארבעה מילי-מולרי עבור כל אליקוט בניסוי זה, 400 אליקוטים של מיקרוליטר של 80 מילי-מולרי גלוקוז מתווספים למאגר. מתאם את תפוקת הזרם לכל ריכוז גלוקוז כדי ליצור עקומה סטנדרטית לביצוע פונקציונליזציה של חלבון, השתמש בשקופית זכוכית בדוגמת אלקטרודת זהב ו-ITO סמוכה הכלולה ב-A-P-D-M-S.

ובכן הטיה את אלקטרודת הזהב עם פוטנציאל קתרטי להפקדת אלקטרודה כפי שהוצג קודם לכן. לאחר שטיפת הסרט, הוסף תמיסה של משרה אוטומטית כחולה עם תווית פלואורסצנטית שני סינתאז בתוספת טירוזינאז. לאחר דגירה של שעה בטמפרטורת החדר.

שטפו את הסרט עם PBS כמו קודם, הפעילו פוטנציאל אנודי על אלקטרודת ה-ITO השקועה בתמיסת תצהיר אלגינט המכילה תאי מקלט. המשך באותם השלבים המתוארים בתצהיר משותף של אוכלוסיות תאים באלגינט כדי ליצור את האות המשודר באופן אנזימטי. לאחר שטיפת הסרטים מוסיפים תמיסה של חמש מיקרומולר, SAH ו-PBS בתוספת מדיה של 10% LB ומילימולר אחד.

סידן כלורי מכסים את האלקטרודות כדי למנוע אידוי של התמיסה ודוגרים למשך הלילה בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס. זה יאפשר תגובת תא מקלט על ידי יצירת חלבון פלואורסצנטי אדום DS ניתן לדמות אלקטרודות סמוכות אדומות במיקרוסקופיה פלואורסצנטית על ידי הצדקה. המסננים ללכידת הקרינה הכחולה של המשרה גם שני סינתאז והפלואורסצנציה האדומה המתבטאת על ידי תאי המקלט הנבחרים המופעלים על ידי אותות חשמליים המופעלים יכולים ליצור מיקרו-סביבות מקומיות ליד משטח אלקטרודה וגירויים אלה יכולים לעורר הרכבה עצמית של פוליסכרידים כגון אלגינט ורזאן להפקדה כסרט הידרוג'ל על פני האלקטרודה.

מכיוון שמעבר ג'ל נשמה זה מתרחש על פני האלקטרודה, הסרט המתקבל מטופל באלקטרו עם הגיאומטריה שלו התואמת את תבנית האלקטרודה. באמצעות אלגינט אוכלוסיות תאים ייחודיות הופקדו בכתובות נפרדות. עדויות לכתובות האלקטרודות שלהם נצפות באינטראקציה בין אוכלוסיית התאים השולחים והמקבלים.

המולקולה מתפזרת פעמיים מתאי השולח ונקלטת על ידי תאי המקבל וכתוצאה מכך מתבטא החלבון הפלואורסצנטי האדום DS. הנה. פלואורסצנטיות אדומה נצפית רק באלקטרודה בה פונים למקלטים. לעומת זאת, אנזים החישה הביולוגית גלוקוז אוקסידאז מספק את היכולת לזהות גלוקוז באמצעות תגובה אנזימטית על ידי ייצור מי חמצן, אשר לאחר מכן ניתן לחמצן אלקטרוכימית כדי לייצר זרם פלט.

באופן זה ניתן להמיר אות כימי לחשמל. תרשים זה מראה כי סרטים שבהם Geo X היה מצומד כימית מייצרים אות אנטיקי חזק בנוכחות גלוקוז בניגוד לסרטים שאינם מכילים Geo X. תוצאות אלה מצביעות על כך שניתן להרכיב את Geo X על סרט זאם שהושקע או לשמור על פעילות קטליטית. יתר על כן, עלייה מדרגה בזרם האוטי נוצרת בתגובה לעלייה בריכוזי הגלוקוז.

העקומה הסטנדרטית הקיימת מראה גם שהעלאות הצעדים התקדמו בצורה כמעט ליניארית בהתאם לכמות הגלוקוז שנוספה. תוצאות אלה מראות כי האנזים שומר על רגישותו גם בעת הצימוד לסרט ראזה כפי שמתואר כאן, הסינתאז I two כולל תג פנטה טירוזין. טירוזינאז פועל על תג הטירוזין ומחמצן את שאריות קבוצות הפנול ל- o quinones, אשר לאחר מכן נקשרות באופן קוולנטי לאמין של קאזאן עדות לפונקציונליזציה של סרט קאזאם בתוך a i two synthase על ידי הרכבת טירוזינאז נצפית בתמונה פלואורסצנטית זו המציגה סרט קאזה על זהב שבו הסינתאז I two הפונקציונלי סומן בכחול פלואורסצנטי מכיוון שסינתאז I two מייצר I two מהמצע SAH באותו אופן כתאי השולח, קרבתו לתאי מקלט שנבחרו בנוכחות SAH גורמת גם לתאי המקלט להגיב באופן פלואורסצנטי על ידי ביטוי ds.

פלואורסצנציה אדומה אדומה של תאי הקליטה מדגימה שוב אינטראקציה בין כתובות עקב דיפוזיה של ai, שתיים מאחת לשנייה, ומציינת עוד כי 10 אנזימים משותקים כדי לקשור את פעילותם לאחר קשירה קוולנטית. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד להפקיד סרטי פוליסכריד אלקטרו וכיצד לתפקד אותם באמצעות מגוון טכניקות. הדגמנו את הרבגוניות בשלבי הפונקציונליזציה הללו המאפשרים לנו לעבוד עם מספר רב של רכיבים ביולוגיים בבדיקות נוספות.

לאחר השליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך מספר דקות בלבד על מנת ליצור דפוסי סרט מוגדרים היטב שעליהם ניתן להשתיל במדויק רכיבים ביולוגיים. וכך בדרך זו, אנו מסוגלים ליצור בקלות רבה משטחים פעילים ובעלי דפוס ביולוגי על אלקטרודות ייעודיות, הכל נעשה בצורה מאורגנת ועם זאת מסוגל להשיג אינטראקציות ביולוגיות מורכבות. בעקבות הליך זה, ניתן להשתמש ביצירתיות הן בתכנון המערך החשמלי והן בבחירת רכיבים ביולוגיים על מנת להשיג את האינטראקציה העיצובית.

תקוותנו היא שכלי הייצור הביולוגי יגשרו בין שני תחומים נפרדים, ביוטכנולוגיה ומיקרו-אלקטרוניקה, שכל אחד מהם חולל מהפכה בחיינו. על ידי ממשק בין שני התחומים הללו, אנו מאמינים שניצור פתרונות חדשים לכמה מהבעיות הבוערות ביותר של החברה. לדוגמה, אנו חוזים שייצור ביולוגי עשוי לספק שיטות פשוטות ורב-תכליתיות לדרכי חישה חדשות, לנקודת טיפול, לאבחון מחלות ולחישת איומים ביולוגיים וכימיים.

דוגמה מרחיקת לכת אחת עשויה להיות שהסטנט העורקי של הדור הבא יוכל גם לנטר את הפרופיל המטבולי שלך כמו גם לשמור על העורק שלך פתוח.