有機電気化学トランジスタによる細胞外電子移動活性の翻訳

私たちの研究は、細菌の細胞外電子移動(EET)を統合してバイオセンシングとバイオコンピューティングのアプリケーションを拡大するバイオエレクトロニクスの開発に焦点を当てています。私たちは、EETが電子材料とどのように相互作用するか、電気的性能を最適化するためにEETを遺伝的にどのように制御するか、そして生きた細胞を含むこれらの電気化学システムに新たな創発的特徴があるかどうかについての答えを求めています。細菌のHR細胞または電子移動研究の進歩は、EET経路のエンジニアリングのための合成生物学、例えば酸化還元モニタリングのための電気化学システム、細胞活動への顕微鏡法、電子の流れ分析のための原子間力顕微鏡法とマクロ電極の実施、材料生物学界面の特性評価のためのUAVラマンのような高度な分光法を使用しています。

私たちは、疾患で示された遺伝子操作がOECT出力を調節し、生物学的に駆動される電気的応答を可能にすることを実証しています。調査結果には、バイオエレクトロニクスの性能に影響を与える直接的および間接的なEET経路の図示、遺伝的論理と電気的結果の結合、EETを介した遺伝的可塑性のチューニングが含まれます。従来のOECT研究と比較して、生細胞は、細胞外電子移動による動的で遺伝的にプログラム可能な制御や、細胞代謝を活用してリアルタイムに応答する能力などの利点を提供します。

蛍光レポーターを使用する従来の生体回路と比較して、OECTユーザーは、高感度でより高速な直接電気結果を提供します。私たちの将来の研究には、EETを駆動するための遺伝子回路の拡張や、電子工学がEET遺伝子発現を調節できるようにするためのエピジェネティクスまたはオプトジェネティクスの開発が含まれます。また、ニューラルネットワークの学習などのアプリケーションのための制御ループの作成にも興味があります。

最後に、多様なOECTチャネル材料、マイクロ流体工学の包含、およびデバイス性能をさらに制御するための酸素生成の研究所を探求しています。オートクレーブを開始するには、有機電気化学トランジスタまたはOECTスライド、ポリジメチルシロキサンまたはPDMSシート、および銀、塩化銀参照電極。オートクレーブの部品を80°Cで焼いて乾燥させます。

オートクレーブOECTスライドと銀、塩化銀の参照電極をグローブボックスに移します。PDMSシートをグローブボックスのアンチチャンバー内で4時間真空にし、閉じ込められた酸素を脱着します。次に、OECTデバイスを組み立てるために、PDMSシートをOECTスライドの上に置きます。

45マイクロリットルのShewanella基礎培地、またはSBMを各OECTチャンバーに注入します。OECTチャンバーポートをPDMSシートで覆い、媒体の蒸発と汚染を防ぎます。最初のOECT電気化学測定は、0Vから0.2Vまでのゲート電圧ステップのチャンネル電流IDSを測定することから開始します。

電流が安定するまで、マイナス0.05ボルトの一定のチャネルドレインソース電圧またはVDS、0.2ボルトのゲート電圧VGSで、OECTチャネルドレインコース電流またはIDSを監視します。計測器チャンネル1を構成して、OECTチャンネル電流IDSを測定します。手法名を「高速アンペロメトリー」、平衡化時間を 1 秒、平衡電圧をマイナス 0.05 ボルト、バイアス電圧をマイナス 0.05 ボルト、ランタイムを 14 秒、サンプル間隔を 0.5 ミリ秒に設定します。

次に、ゲート電圧VGSを制御するように計測器チャンネル2を構成します。手法名を Mixed Mode に、条件時間を 1 秒に、条件電圧を 0 ボルトに、ステージ 1 モードを定数 E に、ステージ 1 のバイアス電圧を 0 ボルトに設定します。ステージ 1 の実行時間を 4 秒に短縮します。

ステージ 2 モードを定数 E に、ステージ 2 バイアス電圧を 0.2 ボルトに。ステージ 2 のランタイムを 10 秒に、サンプル間隔を 0.5 ミリ秒に設定します。すべてのOECTデバイスに、マイナス0.05ボルトの固定チャネル電圧VDSと0.2ボルトのゲート電圧VGSを印加します。

Shewanella oneidensis 懸濁液を 1500 3G で 4 分間遠心分離し、細胞ペレットを 1 ミリリットルの新鮮な増殖培地で 3 回洗浄します。最後の洗浄後、細胞を0.5ミリリットルまたは元の培養容量の半分に再懸濁して、光学密度が1〜3.5の600の濃縮細胞懸濁液を得る。濃縮された細胞懸濁液をグローブボックスに移します。

パージされた培地ストックとともにグローブボックスで新たに調製された乳酸を添加したSBM+を使用して、細胞を意図した光学密度0.1に希釈することにより、接種物を調製します。ポテンショスタットを停止します。調製した接種材料を 5 マイクロリットルを 45 マイクロリットルの SBM を含む OECT チャンバーに注入して、最終吸光度 0.01 を達成します。

OECTチャンバーポートをPDMSシートで覆い、媒体の蒸発や汚染を防ぎます。嫌気性培養の場合は、増殖培地と同じ構成の希釈培地を使用して、Shewanella細胞培養を10倍に希釈します。ポテンショスタットを停止した後、45マイクロリットルのSBM培地を含む5マイクロリットルの嫌気性接種材料をOECTチャンバーに注入します。.

OECTチャンバーポートをPDMSシートで覆います。チャンネル電圧VDSがマイナス0.05V、ゲート電圧VGSが0.2Vの状態で、OECTチャンネルに一定のバイアス電圧を24時間印加します。個々のOETデバイスから潜在的な統計を切断するのは、特性評価のための時間点測定中のみです。

最初の8時間におけるOECTチャネルのドーピング状態の大幅な変化をモニタリングします。24時間後、銀、塩化銀の参照電極を静かにひねって流体交換ポートに押し込み、OECTチャンバーに挿入します。ゲート電圧をマイナス0.1ボルトから0.6ボルトにスイープし、バイアス電圧VDSがマイナス0.05ボルトの一定でチャンネル電流IDSを監視しながら、OECTの伝達曲線を測定します。

同時に、参照電極に対するゲート電極とソース電極の電位を正確に測定します。計器チャンネル 1 を構成して、クロノアンペロメトリー手法を使用して OECT チャンネル電流 IDS を測定します。平衡化時間を 5 秒、平衡電圧をマイナス 0.05 ボルト、バイアス電圧をマイナス 0.05 ボルト、ランタイムを 35 秒、サンプル間隔を 0.09915 秒に設定します。

次に、リニアスイープ電圧を使用してOECTゲート電圧VGSを制御するように計測器チャンネル2を構成します。平衡時間を5秒に設定し、平衡電圧をマイナス0.1ボルトに設定します。電圧をマイナス0.1ボルトまで開始します。

終了電圧は0.6ボルトです。電圧ステップは0.002ボルト、スキャンレートは毎秒0.02ボルトです。開回路ポテンショメトリを使用して、銀、塩化銀参照電極に対するOETソース電位VSを測定するように、機器チャンネル3を構成します。

ランタイムを 40 秒に、サンプル間隔を 0.09915 秒に設定します。開回路ポテンショメトリを使用して、参照電極に対するOETゲート電位VGを測定するように、機器チャンネル4を構成します。ランタイムを 40 秒に、サンプル間隔を 0.09915 秒に設定します。

各測定後、参照電極を70%エタノールですすぎ、新しい低糸くずタオルで拭きます。電子移動活性の適合速度定数は、デルタMtrC変異体とデルタMTR変異体が野生型S.oneidensis MR-1と比較して減少定数を示し、株間で有意差を示しました。変異体をMtrCまたはMTRC ABで補完すると、誘導剤条件下では野生型レベルにレートが回復しました。

OETチャネル電流は、接種後1.5時間以内に、ドレインソース電流と正規化ドレインソース電流で電子移動活性の迅速な検出を示しました。非生物的対照と誘導されていない変異体は、ハイブリッドシステムの感度を強化する最小限の変化を示しました。