生きているバイオ フィルムにおける電子輸送特性評価

この実験手順の全体的な目標は、その場で生体材料を介して伝導できる電流の量と、その電流を輸送するために生体材料が採用するメカニズムを決定することです。この方法は、特定のバイオフィルムがどのようにして電子を数百ミクロン以上移動させて細胞代謝をサポートすることができるかなど、微生物電気化学の分野における重要な質問に答えるのに役立つ可能性があります。この手法の主な利点は、インターディジット電極が非常に高いS/N比を提供し、多くの異なるリアクタ構成に適合するようにスケーリングできることです。

これらの方法は、バイオフィルム中のマルチセル長の細胞外電子輸送に関する洞察を提供します。また、導電性ポリマーフィルムなどの他のシステムにも適用できます。この方法に不慣れな研究者は、両方の電極の電位を別々に設定し、各電極の電流を別々に測定するためにバイポテンショスタットが必要なため、苦労するでしょう。

まず、非導電性基板上にパターン化された市販のIDA電極を入手するか、標準的なリソグラフィー法を使用してそれらを合成します。製造元の指示に従って、ミキシングロッドまたはピペットチップを使用して導電性銀エポキシを準備します。次に、各金色のパッドにワイヤーを配置し、ラボテープを使用して所定の位置に固定します。

ミキシングロッドまたはピペットチップを使用して、ワイヤーとパッドを銀エポキシで覆います。装置を摂氏80度のオーブンに慎重に動かして1時間硬化させます。エポキシ樹脂が硬化したら、マルチメータを使用して、ワイヤの端とパッドの間の電気伝導率を確認します。

ワイヤとパッドの間の抵抗は5オーム未満である必要があります。また、マルチメータを使用して、導電性エポキシが複数の電極パッドを接続していないことを確認します。これは、アレイが短絡する可能性があるためです。導電性エポキシが複数のリード線を接続している場合は、スクライブを使用してリード線を分離します。

次に、15ミリリットルの円錐形遠心チューブの先端を取り外して、断熱材の型として使用します。21ゲージの針を使用して、ワイヤーが突き出るように、金型の底に2つの小さな穴を開けます。IDAを金型に挿入し、金型の底の穴にワイヤーを挿入します。

次に、熱電気および防水絶縁材料を準備します。難燃性ポリウレタン樹脂が適していることがよくあります。インシュレーターを型にピペットで入れて、銀エポキシが完全に覆われ、メーカーの仕様に従ってインシュレーターが乾燥

電気化学セルをセットアップするには、IDA、対電極、および参照電極を電気化学セルに挿入します。バイオフィルムの成長に適した滅菌培地で電気化学セルを充填します。Geobacter sulfurreducensには、フマル酸塩を除く淡水培地を使用してください。

次に、電極をバイポテンショスタットに接続します。一方のIDA電極を作動リード線1本に接続し、もう一方のIDA電極を作動リード線2本に接続し、参照電極を参照リード線に、カウンター電極をカウンターリード線に接続します。電極1でサイクリックボルタンメトリーを実行し、電極2を開回路で保持して、電極が接続されていないことを確認することにより、制御実験を実行します。

関連する電気活性バイオフィルムを成長させるには、標準的な無菌微生物学的技術を使用して、所望の電気化学的に活性な微生物のストック培養または濃縮から電気化学反応器に接種します。標準試験では、接種物と反応器の容量を1対20の比率で接種します。反応器内の攪拌を所望のレベルに設定し、インキュベーターまたはウォーターバスを目的のバイオフィルムの成長条件に基づいて所望の温度に設定します。

対象微生物の特定の要件に基づいて、バイオフィルムが2つの電極を隔てるギャップを埋めるまで、システムをインキュベートします。静止Geobacter sulfurreducensバイオフィルムの場合、摂氏30度で7〜10日間インキュベートします。テキストプロトコルで説明されているように、ゲーティング測定の現在の電位依存性を決定するために使用される実験パラメータの設定を開始します。

バイポテンショスタットソフトウェアをセットアップして、選択したソースドレイン電圧と目的のスキャンレートで選択した範囲でゲーティング測定を実行します。さらに、テキスト プロトコルで説明されているようにベースライン測定を実行します。ターンオーバー下で同じ条件を使用して、可溶性電子供与体またはアクセプターが非ターンオーバー状態で存在し、可溶性電子供与体またはアクセプター条件なしでゲーティング測定を行います。

制御リアクターを入手して、媒体の設定値と実際の温度が同じであることを確認します。IDAがある制御リアクターに温度計または熱電対を置きます。次に、バイポテンショスタットを使用して、ターンオーバー条件と非ターンオーバー条件で選択した温度範囲でソースひずみ電流を測定します。

これを行うには、バイポテンショスタットを使用して、IDAを最大伝導電流が得られるゲート電位に設定し、保持します。ビポテンショスタットを使用して最大伝導電流を記録し、その間、ウォーターバスまたはインキュベーターのオンボードコントロールを使用して選択した温度範囲間で温度を循環させます。温度を1つの設定値から別の設定値に循環させ、インキュベーターまたはウォーターバスのオンボードコントロールを使用して戻します。

これにより、温度サイクルがバイオフィルムに害を及ぼさないように、反応の可逆性が決まります。最後に、温度を通常の成長温度にリセットし、システムを安定させます。ここに示されているのは、淡水媒体で適切に機能しているIDAの代表的な結果です。

一方、電極が短絡しているもの。Geobacter sulfurreducensバイオフィルムに対して、ソースひずみ電圧が10ミリボルトの非ターンオーバー条件下で実施された代表的な電気化学的ゲーティング測定は、酸化還元伝導性の特性であるピーク形状の伝導電流対ゲート電位曲線を示します。ここで、代表的な生データは、伝導電流が反応器媒体の温度に依存することを示しています。

温度の低下に伴う伝導電流の減少も、酸化還元導体の特徴です。このテクニックを習得すると、適切に実行すれば約2日で完了します。この手順を試みる際には、原子炉に接種する前にIDAバンドが短絡していないことを確認することを忘れないでください。

この技術の意味は、バイオフィルム形成病原体の細胞代謝を妨害する方法を研究するために適用すると、治療にまで及びます。この手順は、バイオフィルムのrefologyと導電率の相関関係などの追加の問題に対処するために、電子を輸送できる任意の生体材料に適用できます。