Tradurre le attività di trasferimento di elettroni extracellulari con transistor elettrochimici organici

La nostra ricerca si concentra sullo sviluppo di bioelettronica che integra il trasferimento di elettroni extracellulari batterici o EET per espandere le applicazioni di biorilevamento e bioinformatica. Stiamo cercando risposte su come l'EET interagisce con i materiali elettronici, su come regolare geneticamente l'EET al fine di ottimizzare le prestazioni elettriche e se ci sono nuove caratteristiche emergenti in questi sistemi elettrochimici che contengono cellule viventi. I progressi nella ricerca sulle cellule HR batteriche o sul trasferimento di elettroni utilizzano la biologia sintetica per l'ingegneria dei percorsi EET, il sistema elettrochimico per il monitoraggio redox, ad esempio, e la microscopia per le attività cellulari, conducendo microscopia a forza atomica e macro elettrodi per l'analisi del flusso di elettroni e spettroscopia avanzata come UAV Raman per la caratterizzazione dell'interfaccia di biologia dei materiali.

Dimostriamo che l'ingegneria genetica mostrata sulla malattia potrebbe modulare gli output di OECT, consentendo risposte elettriche biologicamente guidate. I risultati includono l'illustrazione dei percorsi EET diretti e indiretti che influenzano le prestazioni della bioelettronica, l'accoppiamento della logica genetica ai risultati elettrici e la regolazione della plasticità genetica tramite EET. Rispetto al tradizionale lavoro OECT, le cellule viventi offrono vantaggi come controlli dinamici geneticamente programmabili attraverso il trasferimento extracellulare di elettroni e la capacità di sfruttare i metabolismi cellulari per risposte in tempo reale.

Rispetto ai circuiti biologici tradizionali che utilizzano reporter di fluorescenza, gli utenti OECT forniscono risultati elettrici diretti più rapidi con un'elevata sensibilità. Il nostro lavoro futuro include l'espansione dei circuiti genetici per guidare l'EET e lo sviluppo dell'epigenetica o dell'optogenetica per consentire all'elettronica di modulare l'espressione genica dell'EET. Siamo anche interessati a creare loop di controllo per applicazioni come l'addestramento delle reti neurali.

Infine, stiamo esplorando diversi materiali per canali OECT e l'inclusione della microfluidica e della generazione di ossigeno dell'istituto per controllare ulteriormente le prestazioni del dispositivo. Per iniziare l'autoclave il transistor elettrochimico organico o i vetrini OECT, i fogli di polidimetilsilossano o PDMS e l'elettrodo di riferimento in argento, cloruro d'argento. Cuocere i componenti dell'autoclave a 80 gradi Celsius per asciugarli.

Trasferire i vetrini OECT dell'autoclave e l'elettrodo di riferimento in argento cloruro d'argento nella scatola a guanti. Sottoporre i fogli PDMS a vuoto nell'anticamera del vano portaoggetti per quattro ore per desorbire l'ossigeno intrappolato. Quindi, per assemblare il dispositivo OECT, posizionare i fogli PDMS sulle diapositive OECT.

Iniettare 45 microlitri di terreno basale Shewanella, o SBM, in ciascuna camera OECT. Coprire le porte della camera OECT con fogli PDMS per evitare l'evaporazione e la contaminazione del fluido. Iniziare la misurazione elettrochimica OECT iniziale misurando l'IDS della corrente del canale per un passo di tensione di gate da zero a 0,2 volt.

Monitorare la corrente del corso di drain del canale OECT o IDS con una tensione di drain source del canale costante o VDS di meno 0,05 volt e una tensione di gate VGS di 0,2 volt fino a quando la corrente non si stabilizza. Configurare il canale uno dello strumento per misurare gli IDS di corrente del canale OECT. Imposta il nome della tecnica su Amperometria veloce, il tempo di equilibrio su un secondo, la tensione di equilibrio su meno 0,05 volt, la tensione di polarizzazione su meno 0,05 volt, l'autonomia su 14 secondi e l'intervallo di campionamento su 0,5 millisecondi.

Quindi, configurare il canale due dello strumento per controllare la tensione di gate VGS. Impostare il nome della tecnica su Modalità mista, il tempo di condizione su un secondo, la tensione di condizione su zero volt, la modalità di fase uno su E costante, la tensione di polarizzazione di fase uno su zero volt. Fase di un tempo di esecuzione a quattro secondi.

Fase due modalità a E costante, fase due tensione di polarizzazione a 0,2 volt. Il tempo di esecuzione della seconda fase è di 10 secondi e l'intervallo di campionamento è di 0,5 millisecondi. Applicare una tensione di canale costante VDS di meno 0,05 volt e una tensione di gate VGS di 0,2 volt a tutti i dispositivi OECT.

Centrifugare la sospensione di Shewanella oneidensis a 1500 3G per quattro minuti e lavare il pellet cellulare tre volte con un millilitro di terreno di crescita fresco. Dopo l'ultimo lavaggio, risospendere le cellule in 0,5 millilitri o metà del volume di coltura originale per ottenere una sospensione cellulare concentrata con una densità ottica di 600 da uno a 3,5. Trasferire la sospensione cellulare concentrata nel vano portaoggetti.

Preparare l'inoculo diluendo le cellule a una densità ottica prevista di 0,1, utilizzando l'SBM+ integrato con lattato preparato fresco nel vano portaoggetti con semilavorati spurgati. Arrestare il potenziostato. Iniettare cinque microlitri dell'inoculo preparato nella camera OECT contenente 45 microlitri di SBM per ottenere un'assorbanza finale di 0,01.

Coprire le porte della camera OECT con fogli PDMS per evitare l'evaporazione e la contaminazione del fluido. Per le colture anaerobiche, diluire la coltura cellulare Shewanella dieci volte utilizzando un terreno di diluizione con la stessa costituzione del terreno di crescita. Dopo aver interrotto il potenziostato, iniettare cinque microlitri di inoculo anaerobico nella camera OECT, contenente 45 microlitri di terreno SBM.

Coprire le porte della camera OECT con fogli PDMS. Applicare tensioni di polarizzazione costanti ai canali OECT con una tensione di canale VDS di meno 0,05 volt e una tensione di gate VGS di 0,2 volt per 24 ore. Scollegare la statistica del potenziale dai singoli dispositivi OECT solo durante le misurazioni del punto temporale per la caratterizzazione.

Monitorare i cambiamenti significativi nello stato di drogaggio del canale OECT durante le prime otto ore. Dopo 24 ore, inserire l'elettrodo di riferimento in argento e cloruro d'argento nella camera OECT ruotandolo delicatamente e spingendolo attraverso la porta di scambio del fluido. Misura le curve di trasferimento dell'OECT spostando la tensione di gate da meno 0,1 volt a 0,6 volt mentre monitora l'IDS della corrente del canale con una tensione di polarizzazione costante VDS di meno 0,05 volt.

Contemporaneamente, misurare i potenziali accurati dell'elettrodo di gate e sorgente rispetto all'elettrodo di riferimento. Configurare il canale uno dello strumento per misurare l'IDS della corrente del canale OECT utilizzando la tecnica della cronoamperometria. Impostare il tempo di equilibratura su cinque secondi, la tensione di equilibratura su meno 0,05 volt, la tensione di polarizzazione su meno 0,05 volt, l'autonomia su 35 secondi e l'intervallo di campionamento su 0,09915 secondi.

Quindi configurare il canale due dello strumento per controllare la tensione di gate OECT VGS utilizzando la voltammetria a scansione lineare. Impostare il tempo di equilibratura su cinque secondi, la tensione di equilibratura su meno 0,1 volt. Iniziare la tensione a meno 0,1 volt.

Tensione finale a 0,6 volt. Incremento di tensione a 0,002 volt e velocità di scansione a 0,02 volt al secondo. Configura il canale tre dello strumento per misurare il potenziale di sorgente OECT VS rispetto all'elettrodo di riferimento in argento e cloruro d'argento utilizzando la potenziometria a circuito aperto.

Impostare il tempo di esecuzione su 40 secondi e l'intervallo di campionamento su 0,09915 secondi. Configura il canale quattro dello strumento per misurare il potenziale di gate OECT VG rispetto all'elettrodo di riferimento utilizzando la potenziometria a circuito aperto. Impostare il tempo di esecuzione su 40 secondi e l'intervallo di campionamento su 0,09915 secondi.

Dopo ogni misurazione, sciacquare l'elettrodo di riferimento con etanolo al 70% e pulirlo con un nuovo asciugamano a basso contenuto di lanugine. Le costanti di velocità adattate per l'attività di trasferimento di elettroni hanno mostrato differenze significative tra i ceppi con i mutanti Delta MtrC e Delta MTR che mostravano costanti ridotte rispetto a S.oneidensis MR-1 wild-type. La complementazione dei mutanti con MtrC o MTRC AB ha ripristinato i tassi ai livelli wild-type in condizioni di induttore.

La corrente del canale OECT ha dimostrato un rapido rilevamento dell'attività di trasferimento di elettroni con la corrente della sorgente di drain e la corrente della sorgente di drain normalizzata, mostrando differenze statisticamente significative tra i ceppi entro 1,5 ore dopo l'inoculazione. I controlli abiotici e i mutanti non indotti hanno mostrato cambiamenti minimi, rafforzando la sensibilità del sistema ibrido.