어셈블리 및 바이오 Memristors 이온 채널 실수로 지질 세포 막의 구성의 특성

요약

소프트, 낮은-전력, 바이오 memristors 활용 유사한 성분, 구조, 그리고 바이오 시 냅 스의 메커니즘을 전환 합니다. 여기는 조립 하 고 바이오 memristors 특성화 프로토콜에서 얻은 기름에서 물방울 사이 형성 하는 지질 bilayers 절연. Alamethicin 전압 활성화 펩 티 드의 memristive 이온 전도성 막에 걸쳐 발생합니다.

초록

합성 회로 요소에 시 냅 스 기능을 재현 하는 능력은 neuromorphic 컴퓨팅 유사한 효율성과 밀도와 두뇌의 인지 능력을 에뮬레이션 하는 시스템에 대 한 필수적입니다. 날짜 하려면, 실리콘 기반 3 단자 트랜지스터와 2 단자 memristors 널리 사용 되었습니다 neuromorphic 회로, 정보 처리 및 메모리 배치 하는 능력 때문에 큰 부분에서. 아직 이러한 장치 상호와 뇌의 복잡성 때문에 그들은 달성할 수 없는 파워 배고픈 실패 하 키 시 냅 스 기능을 모방 하 고 높은 노이즈와 높은 전압 스위칭에서 고통. 이러한 한계를 극복 하기 위해 우리 개발 하 고 바이오 memristor 구성, 구조, 및 생물 학적 시 냅 스의 스위칭 특성을 모방 하는 것이 특징. 여기, 우리가 조립의 과정을 설명 하 고 바이오 memristors 5 nm 두께 지질 bilayer의 구성 된 특성화 기름에 지질 기능성된 물방울 사이 형성 전압 활성화 alamethicin 펩 티 드와 마약에 취해. 이 문서는 물방울 인터페이스 메서드의 bilayer에 필수적인 주요 수정에 초점을 맞추고 비슷한 어셈블리 프로토콜 드롭릿 지원 지질 막과 막 도약 이온 채널의 생물 속성을 조사 하 사용 되었다, 일관 된 memristor 성능 달성. 특히, 우리 기술 liposome 준비 과정 및 지질 bilayer 막에 alamethicin 펩 티 드의 그리고 그들의 영향 뿐만 아니라 각 구성의 적절 한 농도 memristors의 전반적인 응답에. 우리는 또한 측정 및 주기적 voltammetry, 뿐만 아니라 단기적인가 소성을 통해 얻은 응답으로 현명한 학습 memristive 전류-전압 관계의 분석을 포함 한 바이오 memristors 특성화 과정 선발 전압 펄스 훈련 한다입니다.

서론

그것은 널리 생물 시 냅 스는 높은 효율성과 학습과 높은 적응 방법으로 정보를 처리 하는 능력으로 인해 뇌의 거 대 한 병렬 처리에 대 한 책임을 인정. 이 조정된 기능에서에서 나온다 여러, 매우 복잡 한 분자 메커니즘 드라이브 모두 단기 및 장기 시 냅 스가 소성^1,2,3,,45. Neuromorphic 컴퓨팅 시스템 밀도, 복잡성, 그리고 두뇌의 에너지 효율 뇌와 같은 컴퓨터^6,7 의 다음 세대를 위해 필요 하다 접근 하는 수준에서 시 냅 스 기능을 에뮬레이션 하는 것을 목표로합니다 ^{, 그러나 8}., 사실상 불가능 한⁹, 대신 요구 하는 설계 및 제조의 들어오는 신호에 적응 하 고 기억할 수 있는 새로운 하드웨어 요소는 기존의 전자 회로 요소를 사용 하 여 시 냅 스 기능을 재현 정보 기록⁹. 이러한 종류의 시 냅 스 영감 하드웨어 라고 mem 요소^9,,1011 (짧은 메모리 요소)는에 따르면 디 Ventra 외.^9,11, 수동, 2 터미널 장치 그 저항, 커패시턴스, 또는 인덕턴스는 외부 자극에 응답에 재구성 될 수 있다 고는 이전 상태¹¹을 기억하실 수 있습니다. 접근 하는 두뇌에 에너지 소비 수준을 달성 하기 위해 이러한 요소 비슷한 재료와 시 냅 스가 소성¹²에 대 한 메커니즘 사용 해야 합니다.

날짜 하려면, 2 단자 memristors^13,,1415 주로 건설 되었다 높은 스위칭 전압 및 높은 잡음 특징 보완 금속-산화물-반도체 (CMOS) 기술을 사용 하 여. 이 기술은 높은 전력 소모와 낮은 밀도 때문에 잘 확장 되지 않습니다. 이러한 한계를 해결 하기 위해 여러 유기 및 고분자 memristors 최근에 건설 되었다. 그러나, 이러한 장치 전시 시간이 걸리는 이온 전도성 폴리머 매트릭스^16,17를 통해 확산으로 인해 크게 느린 스위칭 역학. 결과적으로는 모두 CMOS 기반 및 유기 memristive 장치 에뮬레이션 냅 영감 기능 메커니즘은 매우 현상 학적, 포괄만 몇 시 냅 스 기능 같은 스파이크 타이밍 종속 소성 (STDP) ¹⁸기능을 다른 키를 내려다 보이는 하는 동안, 또한 미리 시 냅 스, 단기 소성¹⁹와 같은 강력 하 고 효율적인 컴퓨터 두뇌에 필수적인 역할을 재생할.

최근, 우리 memristive 장치¹² biomimetic 지질 막에 전압 활성화 펩 티 드를 갖춘 바이오 구성, 막 구조, 및 이온 발생 채널 스위칭 모방의 새로운 클래스를 도입 생물 시 냅 스²⁰의 메커니즘입니다.  여기, 우리가 모이고이 2 단자 소자를 전기적으로 심문 하는 방법을 설명 온라인에서 구현에 대 한 단기적인가 소성을 평가 하는 방법에 초점을 특정 학습 응용 프로그램¹². 장치 어셈블리 방울 인터페이스 bilayer (DIB)²¹ 메서드 사용 되었습니다 광범위 하 게 최근 몇 년 동안에서 모델 막²¹ , 막 도약 이온 채널^{22,23의 물리학을 공부, 기반 24}, 자극-반응 자료^25,26의 개발을 위한 빌딩 블록으로. 우리 neuromorphic 응용 프로그램에 관심이 자세히 막 조립 및 심문 과정을 설명 하지만 생체 또는 막 생물학에서 경험을 제한 했. 프로토콜은 또한 조립 공정, 장치²⁷의 역동적이 고 재구성 가능한 전기 속성을 감안할 때 만큼 이나 중요 특성 절차의 전체 설명을 포함 한다. 여기에 설명 된 절차와 대표 결과 낮은 비용, 낮은 전력, 부드러운 메모리 요소에 지질 인터페이스 및 다른 생체 neuromorphic 컴퓨팅, 자치 구조와 시스템, 응용 프로그램에 따라 새 클래스에 대 한 기초 그리고 심지어 적응 뇌-컴퓨터 인터페이스입니다.

프로토콜

1. 일반 지침 및 주의 사항

1. 적당 한, 손상 되지 않은 측정/혼합 유리 (플라스 크, 비 커, 등) 및 기타 실험 기구 (주걱, 국자, 등) 사용을 선택 합니다.
2. 유리의 손상을 방지 하려면 신중 하 게 처리 하 고 착용 고무 또는 니트 릴 장갑 손끝에서 잔류물을 가진 유리/기구 오염 방지 하 고 피부를 보호.
3. 깨끗 한 선택한 유리/기구 철저 하 게 깨끗 한 때까지 부드러운 병 브러시와 모든 잔류물 제거 하 여 사용 하 여 세제 솔루션 및 물 제거 됩니다.
4. 그리고 이온된 (DI) 수와 수돗물으로 철저 하 게 린스. 랙 공기 건조에 건조.
5. 옵션: 린스는 청소 유리/기구 이소프로필 (IPA, 99.5%) 그리고 그들은 어떤 오염 물질 (~ 2 h)의 자유를 보장 하기 위해 모든 잔여 IPA 증발 진공에서 장소. 진공 약 실에서 제거 하 고 깨끗 한 환경에서 장소.
   참고: 사용 보풀을 닦아 유리 및 기구에 대 한 정리 합니다. 구입 하 고 메 마른 작은 유리 병 및 안전 잠금 튜브를 사용 하 여 재료 준비 및 샘플 저장을 위해. 자세한 내용은 다른 실험실 표준 운영 절차 및 유리 청소,²⁸정돈 과학 교육 데이터베이스 참조 하십시오.

2입니다. 수성 버퍼 솔루션의 준비

1. 착용 고무 또는 니트 릴 장갑 선택 수성 버퍼의 50 mL를 준비 하는 적절 하 고 깨끗 한 유리 용기 (500 m m 나트륨 염화 물 (KCl), 3-10 m m (N-morpholino) propanesulfonic 산 (MOPS), pH 7.0).
2. 디지털을 사용 하 여, 높은 정밀도 질량 균형 및 깨끗 한 주걱 깨끗 한 무게 종이에 KCl의 1.86378 g을 분배 하 고 유리 컨테이너에 추가 합니다.
   참고: KCl 및 MOPS의 양을 원하는 볼륨을 따라 해야 하 고 최종 농도 원하는.
3. MOPS의 0.10463 g의 무게와 유리 컨테이너에 추가 합니다. 그런 다음, 추가 디 물 50 mL 유리 용기와 소용돌이를 철저 하 게 KCl와 MOPS 완전히 녹아 때까지.
4. 실 온에서 버퍼 솔루션을 저장 하 고 필요할 때 사용 합니다.
   참고: 버퍼 솔루션 시간의 비교적 긴 기간 동안 저장 될 수 있습니다, 그것은 것이 좋습니다 더 나은 그리고 더 일관 된 결과 위해 갓된 버퍼 솔루션을 사용 하 여.

3입니다. 리의 준비

참고: 단계 3.1만 적용 됩니다 인지질 동결 건조 된 분말으로 인수 및 따라서 수는 인지질 클로 프롬에 구입 하는 경우.

1. 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) 또는 두뇌 총 지질 추출 (BTLE) 지질 5 mL 소독 유리 유리병에 클로 프롬의 1 mL에 5 mg을 디졸브.
2. 부드럽게 소용돌이, 동안 지질 영화 유리병의 하단에 남아 때까지 건조 질소의 부드러운 스트림 아래 클로 프롬을 증발.
3. 10-12 h 잔여 클로 프롬의 완전 한 제거를 위한 허용을 위한 진공에서 지질 필름을 포함 하는 유리병을 놓습니다.
4. 진공 약 실에서 병을 제거 하 고 2 mg/mL의 최종 지질 농도 달성 하기 위해 2 단계에서에서 준비 하는 수성 버퍼 솔루션의 10 mL를 추가 하 여 지질 영화를 rehydrate.
5. 십시오 (-20 °C) 하 고 완전히 해 동 지질 정지 6 번 multilamellar liposome 어셈블리를 촉진 하기 위하여.
   참고: 혼합이 열된 환경에서 절대 실 온에서 녹여 보자.
6. 상업적으로 사용할 수 있는 압출 기를 사용 하 여 0.1 μ m 기 공 직경 트랙 에칭 멤브레인 통해 완전 한 지질 정지 여 liposome 솔루션 압출 성형. 적절 한 지질 단층 형성에 필요한 c.a. 100 nm의 직경을 가진 unilamellar 리를 즉시 승계에 있는 11 시간 정지를 압출 성형. Liposome 정지 4 °C에서 저장 하 고 준비의 1 주 안에 사용 합니다. 편의상, "A"로 결과 liposome 솔루션을 참조 하십시오.
   참고: BTLE 리의 돌출, 연구원은 BTLE 지질의 45-50 °C, 위상 전환 보다 높은 압출 기에 워밍업 하는 것이 좋습니다 온도 (~ 37 °C)^23,29, 쉽게 압출 수 있도록. 하이드레이션 BTLE liposome 정지 또한 준비 될 수 있다 직접 (동결-해 동 및 압출)의 대신으로 닫힌된 정지 유리병 목욕 sonicator 55 °C ~ 15 분에 배치 하 여.

4입니다. Alamethicin 펩 티 드의 재구성

참고:이 절차는 1 μ M의 최종 농도에 리에 alamethicin 재구성의 과정을 설명합니다. 이 농도 그 이전에 게시¹²비슷한 나 레벨 전류를 유도 충분 합니다. 펩 티 드 농도 증가 스위칭 임계값 하 적용된 전압²⁹에 의해 유도 된 전류 진폭을 증가 하십시오.

1. 2.5 mg/mL, 짧게, 혼합 하는 소용돌이의 최종 농도에 에탄올에 alamethicin 펩 티 드를 분해 하 고 냉동 (-20 °C)에서 재고 솔루션을 저장 합니다.
   참고: Alamethicin 펩 티 드 일반적으로 분말 형태로 구매 된다.
2. 1.5 mL 안전 잠금 튜브에 1 μ liposome 정지에서 13 μ M의 마지막 alamethicin 농도 달성 하기 위해 alamethicin 재고 솔루션의 솔루션 "A"의 99 μ 믹스.  잘 섞어 소용돌이입니다. "B"로 결과 펩 티 드 liposome 솔루션을 참조 하십시오.
3. 1 m m, 그리고 잘 섞어 소용돌이의 최종 alamethicin 농도 달성 하기 위해 솔루션 B의 솔루션 "A" 10 μ와의 믹스 117 μ. "C"로 결과 솔루션을 참조 하십시오.
4. 저장 솔루션 'B' '' C에서 4 °C와 필요에 따라 사용 하 고.

5입니다.의 Agarose 젤 준비

1. 디지털을 사용 하 여, 높은 정밀도 질량 균형 및 깨끗 한 주걱 agarose 분말의 0.5 g에 추가 깨끗 한 무게 종이.
2. 전송은 agarose 100 mL 깨끗 한 유리 비 커에 무게와 agarose를 디 물 50 mL를 추가 합니다.
   참고:이 1% (wt/vol) agarose 젤 솔루션을 얻을 것입니다.
3. 유리 비 커 안에 깨끗 한 감동적인 자석 배치 하 고 감동적인 핫 플레이트에 비 커를 놓습니다.
4. Agarose는 완전히 용 해 될 때까지 교 반, 동안 종 혼합물을 가져.
5. 실내 온도에 혼합물 식 하 핫 플레이트에서 비 커를 제거 합니다. 4 °C에서 저장 하 고 필요할 때 사용.
6. 다시 사용 하기 전에 agarose는 핫 플레이트와 전자 레인지가 열에 의해 녹아 다시.

6입니다. 오일 저수지의 제조

참고: 아래 설명 된 절차는 오일 저수지 날조 될 수 있다 여러 가지 방법 중 하나. 독자는 가공 기능, 그리고 특정 한 필요 디자인 하 고 사용 가능한 재료에 따라 저수지를 날조 하는 것이 좋습니다.

1. 밴드 톱을 사용 하 여 큰 12 m m 두꺼운 아크릴 시트에서 12 m m 아크릴 큐브 x 12 x 12 컷.
2. 아크릴 관 (그림 1a)에서 8-12 m m의 깊이 12 m m 직경 구멍 밀

7입니다. 전극의 준비

1. 실버 와이어 (125 μ m 직경)의 위, 컷 2 조각 (75 mm)를 사용합니다.
2. 라이터는 오픈 화 염을 사용 하 여, 각 실버 와이어 형태로 작은 둥근 볼 (직경에서 약 250 μ m)의 한쪽 끝을 녹여.
3. 볼 끝은-염화는 (Ag/AgCl) 코팅을 만들려면 1-2 h에 대 한 표 백제에 담가. 어두운 회색 색상이 나타냅니다 Ag/AgCl 코팅 (그림 2a)을 형성 하는 있다.
4. 표 백제에서 두 와이어를 제거 하 고 디 물으로 깨끗이 씻어 깨끗 한 보풀 지우기에 옆으로 놓습니다.
5. 녹은 agarose 젤 얇은 레이어를 만들 수로 볼 끝을 찍어. 이 젤 코팅 오일 아래 와이어에 수성 방울 앵커에 도움이 됩니다.
6. 유리 커터를 사용 하 여 10 cm 오랫동안, 1/0.58 OD/ID m m 붕 규 산 유리 두 5 cm 모세 혈관으로 모 세관 분할.
7. 전극 홀더 (그림 2b, c), 유리 모세 혈관 중 하나를 삽입 하 고 중 유리 모 세관 (그림 2d)에 Ag/AgCl 와이어 피드. 두 번째 유리 모 세관에 다른 Ag/AgCl 와이어 피드.
8. 유리 제 micropipette 홀더 (그림 2e, f)에 두 번째 유리 모 세관을 탑재 합니다.

8. 실험 설정

1. (그림 1a)는 거꾸로 한 현미경의 스테이지 1 m m 두께, 25 x 75 m m 유리 슬라이드를 놓습니다.
2. 유리 슬라이드 중심에 hexadecane 오일 몇 방울을 분배 하 고 유리 슬라이드에 직접 기름에 석유 저수지 장소.
   참고: 추가 오일 유리 슬라이드와 오일 저수지 사이 명확 하 고 선명한 이미지를 제공 하 게 기판의 굴절률에 맞게 사용 됩니다.
3. 완전히 hexadecane 오일으로 오일 저수지를 채우십시오. 저수지는 렌즈 위에 위치 다는 것을 확인 하십시오.
   참고: 다른 소수 성 오일 뿐만 사용할 수 있습니다.
4. 현재 앰프의 headstage에 전극 홀더를 연결 합니다. headstage micromanipulator 전극 길이 최소화 하기 위해 (그림 1a)와 전기 잡음에 탑재 해야 합니다.
5. 다른 micromanipulator (그림 1a)에 두 번째 Ag/AgCl 와이어와 유리 제 micropipette 홀더를 탑재 합니다.
6. 조작자, 전극은 agarose 코팅 Ag/AgCl 전선의 끝을 완전히 잠긴 유사한 수직 평면에서 석유 저수지에 위치를 사용 하 여.
7. 두 개의 전극 하며 몇 밀리미터 (그림 1a, b)에 의해 구분 됩니다.
   참고: 작은 물방울 ( 단계 13에서 설명)를 추가한 후 전선은 상태로 만들어야 아래로 전극 팁 석유 저수지의 바닥을만 지는 때까지. 이 단계는 전선을 진동 하지 않습니다, 그리고 따라서, 측정된 전류에 불필요 한 변동을 최소화 됩니다 보장 합니다.

9입니다. 적절 한 전기 소음을 줄이기 위해 접지

1. 현미경 (그림 3a) 배치 되는 진동 방지 테이블에 나사를 스레딩 여 지상 버스 를 만듭니다.
   참고: 원하지 않는 변동 측정된 전류에 발생할 수 있습니다, 주변에서 진동을 최소화는 방진 테이블을 사용 합니다.
2. 전도성 와이어를 사용 하 여 접지 (그림 3a), 나사를 연결 하 고 현미경 단계 지상 버스에 연결한 다음.
3. 소음을 줄이기 위해 다음 지상 버스 (그림 3b)에 전기 연결을 실험 설치 패러데이 케이지를 놓습니다.
   참고: 그것은 항상 권장 불필요 한 접지 루프를 방지 하려면 그들은 측정 잡음 레벨에 있는 증가를 끌 수 있습니다.

10. 피드백 제어 난방

1. 알루미늄 쉘 석유 저수지²⁹를 맞는 석판 수 난방 기계.
2. 셸을 통해 거꾸로 현미경 쉘을 통해 볼 수의 바닥에 개방을 두고 있는지 확인 하십시오.
3. 알루미늄 쉘 아래 30 x 30 m m 저항 구체의 유연한 난방 요소를 배치 합니다.
4. 현미경 단계를 아래쪽 방향으로 열 손실을 줄이기 위해 히터 아래 단입니다 (PDMS) 웨이퍼를 놓습니다.
5. 석유 단계에 열전대를 삽입 합니다. 후 하는 열전대 중 Ag/AgCl 와이어 만지지 않는다, 열전대 데이터 수집 보드와 사용자 지정 프로그래밍 소프트웨어를 사용 하 여 레코드 온도를 열전대 와이어를 연결 합니다.
   참고: 작성 한 온-오프, 비례 정수 (PI) 피드백 온도 제어 난방 및 수동 냉각 오일 온도 원하는 값의. 코드 요청 시 독자에 게 제공 될 수 있습니다.

11. 소프트웨어 및 장비 설정

1. 컴퓨터, 현미경, 함수 발생기, 전류 증폭기, 및 저 잡음 데이터 수집 시스템에 전원을 공급 하 여 데이터 수집 소프트웨어를 준비 합니다.
   참고: 어떤 현재 감지 장비를 사용할 수 있습니다, 하는 동안 다음 지침은 재료의 테이블에에서 나열 된 것을 위해 특별히입니다. 그들의 자신의 전류 증폭기를 구축 하고자 하는 연구자는 Shlyonsky 외.³⁰을 참조할 수 있습니다.
2. 패치 클램프의 전면 패널에 전류 증폭기, 전면 패널 디스플레이 설정 하 고 소스-측정 모드 다이얼 VHOLD/IHOLD 및 V-클램프, 각각.
3. 전면 패널에 0.5 1 kHz 고 출력 이득 로우패스 베셀 필터 설정.
   참고: 측정 잡음 감소에 대 한 이득 희생 측정 범위를 증가 하는 반면 낮은 출력 이득 더 높은 현재 진폭, 녹음 수를 선택 합니다.
4. 구성 전체 셀 β를 설정 = 1. 이 값이 더 큰 진폭의 녹음 수 있도록 0.1 나중 전환할 수 있습니다.
5. 0 또는 중립 위치에 다른 모든 컨트롤 다이얼을 설정.
6. 바탕 화면 아이콘을 두 번 클릭 하 여 소프트웨어를 초기화 합니다.
7. 구성을 클릭 | 디지타이저 을 디지타이저 대화를 열고 다음 변경 단추를 클릭 합니다.
8. 디지타이저 변경 대화 상자에서 적절 한 디지타이저 디지타이저 유형 목록에서 선택 합니다.
9. 디지타이저를 감지 스캔 버튼을 클릭 합니다.
10. 디지타이저 변경 대화 상자를 종료 하려면 확인 을 클릭 하 고 디지타이저 대화를 종료 하려면 확인 을 클릭 합니다.
11. 콘그림 를 클릭 | 실험실 벤치.
12. 실험실 벤치의 입력 신호 탭에서 0.0005 V/실바를 축척 비율을 설정
    참고: 이득 또는 β 값이 변경 되는 경우이 값 업데이트 되어야 합니다.

12. 피 펫 오프셋

참고: 아래 설명 된 절차는 테이블의 자료에 언급 된 현재 앰프에만 적용 됩니다.

1. 200 입금 micropipette를 사용 하 여 오일 아래 각 Ag/AgCl 와이어의 끝에 수성 지질 솔루션 "A"의 nL.
2. 접촉으로 방울을 가져오고 두 전극에 걸친 하나의 볼륨으로 작은 물방울 합체 증폭기의 전면 패널에 ZAP 버튼을 누릅니다. 이 유도 한다는 단락 회로 응답.
3. 트랙설정된 소스-측정 모드 다이얼.
4. V_트랙을 전면 패널 디스플레이 다이얼을 변경 합니다.
5. 전원을 미터 읽기 0 mV까지 (시계 방향 또는 시계 반대 방향으로) 전화 PIPETTER 오프셋 이며 안정적입니다.
6. V-클램프 를 소스-측정 모드 다이얼을 반환 하 고 전면 패널 V_붙잡고/I를다이얼을 표시 합니다.

13입니다. 지질 Bilayer의 형성

1. 오일 단계에서 수직으로 전극으로 이동 하 여 이전 입금 된 방울을 놓습니다. 이 기름에는 전극에서가을 방울 발생 합니다. 다시 잠수함 하 고 기름에 전극 위치.
2. 보증금 200에 micropipette 사용 전선의 각 지질 솔루션 "A"의 nL.
3. 각 물/오일 인터페이스에서 발생 하는 자연 지질 단층 어셈블리 수 있도록 3-5 분을 기다립니다.
   참고:로 지질 단층 양식 물/지질/오일 인터페이스 표면 장력 감소, 주변 기름 충분히 적은 밀도²¹인 경우 처지 방울을 발생할 수 있습니다.
4. 낮은 전극 (방울) 끝까지 두 전극의 겨우 오일 저수지 (그림 1b)의 하단을 터치 하 고 가로로 려 작은 물방울 접촉으로 그들을 이동 하는 것.
   참고: 지질 bilayer 접촉 방울 사이에서 초과 석유를 제외 하 여 얇은 저절로 됩니다. 일반적으로이 프로세스는 1 분 이내 발생합니다.

14. 바이오 Memristor 전기 특성

1. 지질 Bilayer 형성
   1. 방울 사이의 전기 용량 증가에 해당 하는 지질 bilayer 형성, 기록 10 Hz, 10 mV 삼각 파형 전압 패치 클램프의 외부 입력에 연결 하는 함수 발생기 (그림 4)를 사용 하 여 적용 증폭기입니다.
      참고: 지질 막의 용량 성 특성으로 인해 결과 현재 응답은 사각형 파형 (그림 4) 이어야 한다. 지질 bilayer 형성 단계 11.6, 동안 연구원 현재 피크 대 피크 진폭에서 성장을 보고 하 고 또한 연결 된 물방울 (그림 4) 사이의 시각적인 변화를 관찰 해야 합니다.
2. 전류-전압 측정
   참고: 바이오 memristor 저항과 병렬^12,21에서 커패시터로 모델링 됩니다. 따라서, 장치의 현재 응답 인가 전압의 주파수에 따라 저항 및 용량 성 구성 요소를 포함할 수 있습니다. 장치의 memristive 성격을 공부 하 고 슬쩍된 히스테리시스 전류-전압 관계¹²을 총 전류에서 용량 성 전류를 필요할 수 있습니다. 프로토콜 아래이 절차를 설명합니다.
   1. 함수 발생기를 사용 하 여 솔루션 "A"의 방울으로 조립 alamethicin 무료 지질 막 전압 파형 (삼각형 또는 정현) 적용 됩니다.
   2. 여러 주파수에서 유도 된 현재 응답을 기록 합니다.
      참고: 용량 성 전류 10 mHz 이하의 주파수에서 최소화 됩니다.
   3. 컴퓨터, 지질 막의 직경을 측정 하 여 또는 피크 대 피크 전류 진폭 10 Hz, 10 mV 삼각 파에서에서 유래를 기록 하 여 계면 지질 bilayer의 크기를 기록 합니다. 현재 진폭은 막 정전 용량에 비례에 막의 지역에 비례 이다.
   4. 아무 alamethicin를 포함 하는 작은 물방울을 제거 합니다.
   5. 새로운 수성 방울 솔루션 "C"를 사용 하 여 추가 하 고 지질 bilayer를 형성 한다.
   6. bilayer가지고 한 이전에 형성 된 유사한 지역 (직경 또는 구형 파 전류 진폭) 같은 방울 사이 접촉을 조정 하는 micromanipulators를 사용 합니다.
   7. 14.2.1-14.2.2 단계 반복 합니다.
   8. 14.2.7 단계에서 기록 된 현재에서 현재 기록된 단계를 14.2.2 뺍니다.
   9. 각 주파수와 파형 "슬쩍된 히스테리시스" memristive 응답을 얻기 위해에 대 한 적용된 전압 대 유도 전류를 플롯 합니다.
3. 펄스 실험
   1. Using 사용자 지정 프로그래밍 소프트웨어와 아날로그 전압 소스, 시간에, 그리고 시간 특정 높고 낮은 진폭으로 전압 펄스를 생성 합니다.
      참고:이 경우 전압 펄스 상업 함수 발생기를 사용 하 여 생성 될 수 있는 필요 하지 않습니다.
   2. 적용 된 펄스 응답에 전류를 기록 합니다.
   3. memristor의 용량 성 특성, 용량 성 스파이크를 기록 됩니다. 적절 한 대역으로 로우 패스 필터를 적용 하 여 스파이크를 제거 합니다.

결과

그림 1 에 조립 하 고 바이오 memristor 특성화 하는 데 사용 하는 실험 설정 표시 됩니다. 무료 오일 저수지의 바닥에 전극 끝을 낮추면 그림 1b와 같이 전극과 유사 측정된 전류 및 bilayer 지역에, 특히 경우에에서 발생할 수 있는 방울의 진동을 최소화 하기 위해 도움이 발견 됐다 어디에서 대류 흐름을 생성할 수 있습니다 난방 기름. 그림 2 절차와 Ag/AgCl 와이어, 클래스 모세 혈관, 그리고 전극과 micropipette 홀더 조립의 결과 보여 줍니다. 설치는 올바르게 접지 된 패러데이 케이지 (그림 3) 전자기 간섭을 최소화 하기 위해 내는 지 내게 됩니다.

그것은 안정 되어 있는,이 연구에 대 한 지질 bilayer 절연을 형성 하는 것이 필...

토론

이 종이 조립 및 바이오 memristors 이온 채널 실수로 합성 biomembranes 기름에 물이 두 방울 사이 형성에 기반에 대 한 프로토콜을 제공 합니다. 소프트 문제, 2 단자 소자 설계 및 공부: 1) 극복된 제약 높은 잡음, 높은 에너지 소비와 높은 전압 스위칭 2) 더 밀접 하 게 구성, 모방과 같은 고체 기술로 연결 된 구조 생물 학적 시 냅 스, 및 3의 메커니즘을 스위칭) 메커니즘 및 고체 장치 전시 하지 바이오 시 냅 스가 소성의 특징.

드롭릿 인터페이스 bilayer 기술²¹, 현재 기술¹²의 빌딩 블록을 나타내는 막 생물 물리학²¹, 공부를 광범위 하 게 사용 된 멤브레인 어셈블리에 대 한 간단 하 고, 모듈 접근 이다 단백질²², 이온 채널²⁹

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
1,2-diphytanoy-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC)	Avanti Polar Lipids	850356P/850356C	동결건조 분말 (P) 또는 클로로포름 (C)으로 구매
아가로스	Sigma-Aldrich	A9539
아가로스 (0.5g 아가로스 정제)	벤치마크	A2501	당신은 분말 형태 또는 정제를 사용할 수 있습니다
알라메티신	AG Scientific	A-1286
분석 저울	Mettler Toledo	ME204TE/00
Axopatch 200B 증폭기	Molecular	Devices-BK
Precision 4017B 10MHz DD 스윕/함수 발생기	Digi-Key	BK4017B-ND
붕규산 유리 모세혈	World Precision Instruments	1B100F-4
Brain Total Lipid Extracts (Porcine)	Avanti Polar Lipids	131101
DigiData 1440A system	Molecular Devices	-
홀더/가열 블록이 있는 압출기 세트	Avanti Polar Lipids	610000	이것은 미니 압출기, 2개의 주사기, 100개의 PC 막, 100개의 필터 지지대, 그리고 1개의 홀더/가열 블록
냉동고(-20 ° C)	VWR International	SCUCBI0420AD
유리 제품	VWR	International-Hexadecane
, 99%	Sigma-Aldrich	544-76-3
이소프로필 알코올	VWR International	BDH1133-4LP
미세전극 홀더	World Precision Instruments	MEH1S
MOPS	Sigma-Aldrich	M1254
질소 (N2) 가스	Airgas	UN1066
Parafilm M 다목적 실험실 필름	Parafilm	PM999
파우더 프리 소프트 니트릴 검사 장갑	VWR International	CA89-38-272
사전 청소된 현미경 실드	피셔 사이언티픽	22-267-013
냉장고 (4 ° C)	VWR International	SCUCFS-0504G
실버 와이어	GoodFellow	147-346-94	애플리케이션에 따라 다른 직경이 사용될 수 있습니다
염화나트륨 (KCl)	Sigma-Aldrich	P3911
교반 핫 플레이트	Thermo Scientific
VWR 경량 조직 와이퍼	VWR International	82003-820
VWR Scientific 50D 초음파 세척기	VWR International	13089