תרגום פעילויות מעבר אלקטרונים חוץ-תאיות באמצעות טרנזיסטורים אלקטרוכימיים אורגניים

המחקר שלנו מתמקד בפיתוח ביואלקטרוניקה המשלבת העברת אלקטרונים חוץ-תאית חיידקית או EET כדי להרחיב יישומי ביו-חישה ומחשוב ביולוגי. אנו מחפשים תשובות לאופן שבו EET מתקשר עם חומרים אלקטרוניים, כיצד לווסת EET מבחינה גנטית על מנת לייעל את הביצועים החשמליים והאם יש תכונות חדשות במערכות אלקטרוכימיות אלה המכילות תאים חיים. ההתקדמות במחקר תאי HR חיידקיים או העברת אלקטרונים משתמשת בביולוגיה סינתטית להנדסת מסלולי EET, מערכת אלקטרוכימית לניטור חמצון-חיזור, למשל, ומיקרוסקופ לפעילות התא, ביצוע מיקרוסקופ כוח אטומי ואלקטרודות מאקרו לניתוח זרימת אלקטרונים וספקטרוסקופיה מתקדמת כמו כטב"מים ראמאן לאפיון ממשק ביולוגיה חומרית.

אנו מראים כי הנדסה גנטית שהוכחה על מחלות יכולה לווסת את תפוקות OECT, ולאפשר תגובות חשמליות מונעות ביולוגית. הממצאים כוללים הדגמה של מסלולי EET ישירים ועקיפים המשפיעים על ביצועי ביואלקטרוניקה, צימוד לוגיקה גנטית לתוצאות חשמליות וכוונון פלסטיות גנטית באמצעות EET. בהשוואה לעבודה מסורתית של OECT, תאים חיים מציעים יתרונות כגון בקרות דינמיות הניתנות לתכנות גנטי באמצעות מעבר אלקטרונים חוץ-תאי ויכולת למנף מטבוליזם תאי לתגובות בזמן אמת.

בהשוואה למעגלים ביולוגיים מסורתיים המשתמשים במדווחים פלואורסצנטיים, משתמשי OECT מספקים תוצאות חשמליות ישירות מהירות יותר עם רגישות גבוהה. עבודתנו העתידית כוללת הרחבת מעגלים גנטיים כדי להניע EET ופיתוח אפיגנטיקה או אופטוגנטיקה כדי לאפשר לאלקטרוניקה לווסת את ביטוי הגנים של EET. אנו מעוניינים גם ליצור לולאות בקרה עבור יישומים כמו אימון רשתות עצביות.

לבסוף, אנו בוחנים חומרים מגוונים של ערוץ OECT ואת הכללת מיקרופלואידיקה וייצור חמצן במכון כדי לשלוט עוד יותר בביצועי המכשיר. כדי להתחיל autoclave טרנזיסטור אלקטרוכימי אורגני או שקופיות OECT, polydimethylsiloxane או PDMS יריעות וכסף, כסף כלוריד ייחוס אלקטרודה. אופים את רכיבי autoclave ב 80 מעלות צלזיוס כדי לייבש אותם.

העבר את שקופיות OECT autoclave ואת אלקטרודת הייחוס כסף, כסף כלוריד לתוך תא הכפפות. הכניסו את יריעות ה-PDMS לוואקום בתא האנטי-תא של תא הכפפות למשך ארבע שעות כדי לספוח את החמצן הלכוד. לאחר מכן כדי להרכיב את התקן OECT, מקם את גיליונות PDMS מעל שקופיות OECT.

הזריקו 45 מיקרוליטרים של מדיום בסיסי Shewanella, או SBM לכל תא OECT. כסה את יציאות תא OECT ביריעות PDMS כדי למנוע אידוי וזיהום בינוניים. התחל את המדידה האלקטרוכימית הראשונית של OECT על ידי מדידת מזהי זרם הערוץ עבור שלב מתח שער מאפס עד 0.2 וולט.

נטר את זרם מסלול הניקוז של תעלת OECT או IDS תחת מתח מקור ניקוז ערוץ קבוע או VDS של מינוס 0.05 וולט ומתח שער VGS של 0.2 וולט עד שהזרם מתייצב. הגדר את ערוץ המכשיר הראשון למדידת המזהים הנוכחיים של ערוץ OECT. הגדר את שם הטכניקה לאמפרומטריה מהירה, זמן שיווי משקל לשנייה אחת, מתח שיווי משקל למינוס 0.05 וולט, מתח הטיה למינוס 0.05 וולט, זמן ריצה ל- 14 שניות ומרווח דגימה ל- 0.5 אלפיות השנייה.

לאחר מכן, הגדר את ערוץ המכשיר השני כדי לשלוט במתח השער VGS. הגדר את שם הטכניקה למצב מעורב, זמן התניה לשנייה אחת, מתח התניה לאפס וולט, מצב שלב ראשון לקבוע E, מתח הטיה שלב ראשון לאפס וולט. שלב ראשון זמן ריצה לארבע שניות.

שלב שני למצב קבוע E, שלב שני מתח הטיה ל 0.2 וולט. שלב שני זמן ריצה ל-10 שניות ומרווח דגימה ל-0.5 אלפיות השנייה. החל VDS מתח ערוץ קבוע של מינוס 0.05 וולט ומתח שער VGS של 0.2 וולט על כל התקני OECT.

צנטריפוגה את תרחיף Shewanella oneidensis ב 1500 3G במשך ארבע דקות ולשטוף את גלולת התא שלוש פעמים עם מיליליטר אחד של מדיום צמיחה טרי. לאחר השטיפה האחרונה, להשהות מחדש את התאים ב 0.5 מיליליטר או מחצית נפח התרבית המקורי כדי לקבל תרחיף תא מרוכז עם צפיפות אופטית של 600 של אחד עד 3.5. מעבירים את מתלה התא המרוכז לתא הכפפות.

הכינו את החיסון על ידי דילול התאים לצפיפות אופטית מיועדת של 0.1, באמצעות SBM + בתוספת לקטט שהוכן טרי בתא הכפפות עם מלאי מדיה מטוהר. עצור את הפוטנציוסטט. הזריקו חמישה מיקרוליטרים של החיסון המוכן לתוך תא OECT המכיל 45 מיקרוליטר SBM כדי להשיג ספיגה סופית של 0.01.

כסה את יציאות תא OECT ביריעות PDMS כדי למנוע אידוי וזיהום בינוניים. עבור תרביות אנאירוביות, לדלל את תרבית תאי Shewanella פי עשרה באמצעות מדיום דילול עם מבנה זהה למדיום הגידול. לאחר הפסקת potentiostat, להזריק חמישה מיקרוליטרים של inoculum אנאירובי לתוך תא OECT, המכיל 45 מיקרוליטר של מדיום SBM.

כסו את יציאות תא ה-OECT בגיליונות PDMS. החל מתחי הטיה קבועים על תעלות OECT עם VDS מתח ערוץ של מינוס 0.05 וולט, ומתח שער VGS של 0.2 וולט למשך 24 שעות. נתק את הסטטיסטיקה הפוטנציאלית מהתקני OECT בודדים רק במהלך מדידות נקודת זמן לצורך אפיון.

עקוב אחר שינויים משמעותיים במצב סימום ערוץ OECT במהלך שמונה השעות הראשונות. לאחר 24 שעות, הכנס את אלקטרודת הייחוס כסופה וכסף כלוריד לתא OECT על ידי סיבוב ודחיפתה בעדינות דרך יציאת חילופי הנוזלים. מדוד את עקומות ההעברה של OECT על ידי טאטוא מתח השער ממינוס 0.1 וולט ל- 0.6 וולט תוך ניטור מזהי זרם הערוץ עם VDS מתח הטיה קבוע של מינוס 0.05 וולט.

במקביל, מדוד את פוטנציאלי השער והמקור המדויקים כנגד אלקטרודת הייחוס. הגדר את ערוץ המכשיר הראשון למדידת המזהים הנוכחיים של ערוץ OECT באמצעות טכניקת הכרונואמפרומטריה. הגדר את זמן שיווי המשקל לחמש שניות, מתח שיווי משקל למינוס 0.05 וולט, מתח הטיה למינוס 0.05 וולט, זמן ריצה ל- 35 שניות ומרווח דגימה ל- 0.09915 שניות.

לאחר מכן הגדר את ערוץ המכשירים השני לשליטה במתח שער OECT VGS באמצעות וולטמטריית טאטוא ליניארית. הגדר את זמן שיווי המשקל לחמש שניות, את מתח שיווי המשקל למינוס 0.1 וולט. מתח התחלת למינוס 0.1 וולט.

מתח קצה עד 0.6 וולט. שלב המתח ל-0.002 וולט וקצב הסריקה ל-0.02 וולט לשנייה. הגדר את ערוץ המכשיר השלישי למדידת פוטנציאל מקור OECT VS כנגד אלקטרודת הייחוס כסף, כסף כלוריד באמצעות פוטנציומטריה במעגל פתוח.

הגדר את זמן הריצה ל- 40 שניות ואת מרווח הדגימה ל- 0.09915 שניות. הגדר את ערוץ המכשיר הרביעי למדידת VG פוטנציאלי של שער OECT כנגד אלקטרודת הייחוס באמצעות פוטנציומטריה במעגל פתוח. הגדר את זמן הריצה ל- 40 שניות ואת מרווח הדגימה ל- 0.09915 שניות.

לאחר כל מדידה, שטפו את אלקטרודת הייחוס באתנול 70% ונגבו אותה במגבת חדשה בעלת מוך נמוך. קבועי הקצב המותאמים לפעילות מעבר אלקטרונים הראו הבדלים משמעותיים בין הזנים כאשר מוטנטים Delta MtrC ו- Delta MTR הציגו קבועים מופחתים בהשוואה ל- S.oneidensis MR-1 מסוג פראי. השלמה של מוטנטים עם MtrC או MTRC AB החזירה את השיעורים לרמות מסוג בר בתנאי השראה.

זרם תעלת OECT הדגים זיהוי מהיר של פעילות מעבר אלקטרונים עם זרם מקור ניקוז וזרם מקור ניקוז מנורמל, מה שמראה הבדלים מובהקים סטטיסטית בין הזנים תוך שעה וחצי לאחר החיסון. בקרות אביוטיות ומוטנטים לא מושרים הציגו שינויים מזעריים שחיזקו את רגישות המערכת ההיברידית.