Methodenartikel

Vergadering en karakterisering van biomoleculaire Memristors bestaande uit ionkanaal-doped lipide membranen

7.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/58998

⸱

9 maart 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Joint Institute for Biological Sciences, Oak Ridge National Laboratory, 2Department of Mechanical, Aerospace and Biomedical Engineering, University of Tennessee, 3Bredesen Center for Interdisciplinary Research, University of Tennessee, 4Department of Biosystems and Agriculture Engineering, University of Kentucky, 5Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Tennessee, 6Computer Science and Mathematics Division, Oak Ridge National Laboratory, 7Center for Nanophase Materials Sciences, Oak Ridge National Laboratory

In dit artikel

Samenvatting

Zacht, low-power, biomoleculaire memristors hefboomwerking dezelfde samenstelling, structuur en omschakeling van de mechanismen van de bio-synapsen. Hier gepresenteerd is een protocol te monteren en karakteriseren van biomoleculaire memristors verkregen isolerende lipide bilayers gevormd tussen waterdruppeltjes in olie. De opneming van spanning-geactiveerde alamethicin peptiden resultaten in de Ionische huidgeleiding memristive over het membraan.

Samenvatting

De mogelijkheid om te recreëren synaptic functionaliteiten in synthetische schakelingselementen is essentieel voor neuromorphic computersystemen die streven naar emuleren de cognitieve bevoegdheden van de hersenen met een vergelijkbare efficiëntie en dichtheid. Tot op heden, hebben silicium gebaseerde drie-terminal transistors en twee-terminal memristors wijd gebruikt in neuromorphic schakelingen, grotendeels vanwege hun vermogen om mede Zoek informatieverwerking en geheugen. Maar deze apparaten de interconnectiviteit en de complexiteit van de hersenen niet bereiken omdat ze macht-hongerige, niet belangrijkste Synaptische functionaliteiten nabootsen, en lijden hoge ruis en hoge spanningen te schakelen. Deze beperkingen wilt opheffen, hebben wij ontwikkeld en een biomoleculaire memristor die de samenstelling, structuur en switch kenmerken van biologische synapsen bootst gekenmerkt. Hier beschrijven we het proces van de montage en karakterisering van biomoleculaire memristors bestaande uit een 5 nm-dikke lipide dubbelgelaagde gevormd tussen lipide-matiemaatschappij waterdruppeltjes in olie en doped met spanning-geactiveerde alamethicin peptiden. Terwijl soortgelijke vergadering protocollen zijn gebruikt voor het onderzoeken van biofysische eigenschappen van druppel-ondersteunde lipide membranen en membraan-gebonden ionenkanalen, dit artikel richt zich op de belangrijkste wijzigingen van de druppel dubbelgelaagde interfacemethode essentieel voor het bereiken van overeenstemming memristor prestaties. Specifiek, beschrijven we het voorbereidingsproces liposoom en de opneming van alamethicin peptiden in lipide dubbelgelaagde membranen en de juiste concentraties van elk bestanddeel, alsmede hun impact op de algehele reactie van de memristors. Wij ook detail de karakterisering van proces van biomoleculaire memristors, met inbegrip van meting en analyse van memristive stroom-spanning relaties verkregen via cyclische voltammetrie, evenals op korte termijn plasticiteit en leren in reactie op Stapsgewijze spanning pulse treinen.

Inleiding

Het wordt algemeen erkend dat biologische synapsen verantwoordelijk zijn voor de hoge procesefficiëntie en de enorme parallellisme van de hersenen als gevolg van hun vermogen om te leren en informatie in zeer adaptieve manieren verwerken. Deze gecoördineerde functionaliteit blijkt uit meerdere, zeer complexe moleculaire mechanismen die rijden zowel kortetermijn- en langetermijnmaatregelen synaptische plasticiteit1,2,3,4,5. Neuromorphic computersystemen willen emuleren synaptic functionaliteiten op niveaus nadert de dichtheid, de complexiteit en de energie-efficiëntie van de hersenen, die nodig zijn voor de volgende generatie van hersenen-achtige computers6,7 , 8. synaptic functies met behulp van elementen van de traditionele elektronische schakeling te reproduceren is echter vrijwel onmogelijk9, in plaats daarvan vereist het ontwerp en de fabricage van nieuwe hardware-elementen die kunnen passen aan inkomende signalen en vergeet niet informatie geschiedenissen9. Deze types van synapse-geïnspireerde hardware staan bekend als mem-elementen9,10,11 (afkorting van geheugenelementen), die volgens Di Ventra et al.9,11, passieve, twee-terminal apparaten waarvan weerstand, capaciteit of inductie kan opnieuw worden geconfigureerd in reactie op externe prikkels, en die voorafgaande Staten11kan herinneren. Om energieverbruik nadert die in de hersenen, deze elementen moeten in dienst soortgelijke materialen en mechanismen voor de Synaptische plasticiteit12.

Tot op heden zijn twee-terminal memristors13,14,15 overwegend gebouwd met behulp van aanvullende metal-oxide-semiconductor (CMOS) technologie, gekenmerkt door hoge-switching spanningen en hoge ruis. Deze technologie schaalt niet goed vanwege het hoge energieverbruik en lage dichtheid. Om aan deze beperkingen, zijn onlangs meerdere organische en polymere memristors gebouwd. Deze apparaten vertonen echter aanzienlijk langzamer switch dynamiek als gevolg van de tijdrovende ion verspreiding via een geleidend polymeer matrix16,17. Dientengevolge, zijn de mechanismen waarmee beide apparaten CMOS-gebaseerde en biologische memristive synapse-geïnspireerde functionaliteiten emuleren zeer fenomenologische, omvat slechts een paar synaptic functionaliteiten zoals Spike Timing afhankelijk plasticiteit (STDP) 18, terwijl met uitzicht op andere belangrijke functies die spelen ook een essentiële rol in het maken van de hersenen een krachtige en efficiënte computer, zoals vooraf synaptic, op korte termijn plasticiteit19.

We introduceerde onlangs, een nieuwe klasse van memristive apparaten12 met spanning-geactiveerde peptiden biomimetische lipide membranen opgenomen die de Biomoleculaire samenstelling, membraan structuur en ion geactiveerd kanaal schakelen bootst mechanismen van biologische synapsen20.  Hier beschrijven we hoe te monteren en elektrisch ondervragen van deze twee-terminal-apparaten, met specifieke focus op hoe te te evalueren op korte termijn plasticiteit voor uitvoering in online leren toepassingen12. Vergadering van het apparaat is gebaseerd op de druppel interface dubbelgelaagde (DIB)21 -methode, die is gebruikt uitgebreid in de afgelopen jaren te studeren de biofysica van model membranen21 en membraan-gebonden ion kanalen22,23, 24, en als bouwstenen voor de ontwikkeling van prikkels-responsieve materialen25,26. We beschrijven het membraan vergadering ondervraging proces en in detail voor diegenen die geïnteresseerd zijn in neuromorphic toepassingen maar beperkte ervaring in biomaterialen of membraan biologie. Het protocol bevat ook een volledige beschrijving van de procedure van karakterisering, die net zo belangrijk als het proces van de vergadering is, gezien de dynamische en herconfigureerbare elektrische eigenschappen van het apparaat-27. De procedure en vertegenwoordiger resultaten die hier worden beschreven zijn fundamenten voor een nieuwe klasse van low cost, low-power, zachte mem-elementen op basis van lipide interfaces en andere biomoleculen voor toepassingen in de neuromorphic computing, autonome structuren en systemen, en zelfs adaptieve hersenen-computer interfaces.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. algemene instructies en voorzorgsmaatregelen

  1. Selecteer geschikt, onbeschadigd meten/mengen glaswerk (bekers, kolven, etc.) en andere labware (spatels, bolletjes, enz.) voor gebruik.
  2. Omgaan met glaswerk zorgvuldig om te voorkomen beschadiging van, en het dragen van latex of nitril handschoenen om te voorkomen dat besmetting van het glaswerk/labware met residuen van vingertoppen en ter bescherming van uw huid.
  3. Schone gekozen glaswerk/labware grondig met behulp van reinigingsmiddel en water door schrobben met een zachte Flessenwisser totdat schoon en alle resten worden verwijderd.
  4. Spoel grondig met leidingwater en vervolgens met gedeïoniseerd water (DI). Plaats op het Droogrek aan de lucht drogen.
  5. Optioneel: Spoel het schoongemaakte glaswerk/labware met isopropyl (IPA, 99,5%) en onder vacuüm te verdampen van alle resterende IPA om ervoor te zorgen zij zijn vrij van alle verontreinigingen (~ 2 h) te plaatsen. Verwijder uit Vacuuemcel en plaatsen in een schoon milieu.
    Opmerking: Gebruik die pluisvrije doekjes voor glaswerk en labware afvegen. Aankoop en gebruik van steriele kleine glazen flesjes en safe-lock buizen voor de voorbereiding en sample opslag materialen. Voor meer informatie over glaswerk schoonmaken en andere laboratorium standaardwerkvoorschriften, verwijzen naar de JoVE Science Education Database-28.

2. voorbereiding van de waterige bufferoplossing

  1. Dragen van latex of nitril handschoenen, selecteer een geschikte en schone glazen container te bereiden 50 mL waterige buffer (500 mM natriumchloride (KCl), 10 mM 3-(N-morfolino) propanesulfonic zuur (MOPS), pH 7,0).
  2. Met behulp van een massabalans digitale, hoge precisie en een schone spatel, afzien van 1.86378 g van KCl op schone wegen papier en vervolgens toevoegen aan de container voor glas.
    Nota: De bedragen van KCl en MOPS moeten variëren, afhankelijk van het gewenste volume en gewenste eindconcentraties.
  3. Weeg 0.10463 g van MOPS en toevoegen aan de container voor glas. Dan, voeg 50 mL DI water aan de container voor glas en vortex grondig totdat KCl en MOPS zijn volledig is opgelost.
  4. Bufferoplossing bij kamertemperatuur opslaan en gebruiken wanneer nodig.
    Opmerking: Terwijl bufferoplossingen kunnen worden opgeslagen voor relatief lange perioden, is het aanbevolen om het gebruik van vers bereide bufferoplossingen voor betere en consistentere resultaten.

3. voorbereiding van de liposomen

Opmerking: Stap 3.1 geldt alleen als fosfolipiden zijn verkregen als gelyofiliseerd poeders, en daarom kunnen worden overgeslagen als de fosfolipiden zijn gekocht in chloroform.

  1. Los 5 mg 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) of hersenen totale lipide extracten (BTLE) lipiden in 1 mL chloroform in een flesje van 5 mL steriele glas.
  2. Terwijl het zachtjes zwenken, verdampen de chloroform onder een zachte stroom van droge stikstof tot een lipide-film aan de onderkant van de flacon blijft.
  3. Plaats de ampul met de lipide-film onder drukvermindering voor 10-12 h om te zorgen voor volledige verwijdering van residuele chloroform.
  4. Verwijder de flacon van de Vacuuemcel en hydrateren van de lipide-film door het toevoegen van 10 mL van de bufferoplossing van de waterige bereid in stap 2 te bereiken een lipide-definitieve concentratie van 2 mg/mL.
  5. (-20 °C) bevriezen en ontdooien volledig de lipide schorsing zesmaal om multilamellar liposoom vergadering.
    Opmerking: Laat het mengsel ontdooien bij kamertemperatuur, nooit in een verwarmde omgeving.
  6. Met behulp van een commercieel beschikbare extruder, extruderen de liposomen oplossing doordat de volledige lipide-schorsing via een 0,1 μm porie diameter track-geëtst membraan. Diepte van de suspensie 11 keer in de onmiddellijke opvolging van unilamellar met een diameter van c.a. 100 nm die nodig zijn voor de vorming van juiste lipide enkelgelaagde liposomen verkrijgen. Opslaan van de opschorting van de liposomen bij 4 °C en gebruik binnen 1 week na bereiding. Voor eenvoud, verwijzen naar de resulterende liposoom oplossing als "A".
    Opmerking: Voor de extrusie van BTLE liposomen, is de onderzoeker aangemoedigd om opwarmen van de extruder tot 45-50 °C, hoger dan de faseovergang temperatuur van BTLE lipiden (~ 37 °C)23,29, om gemakkelijker extrusie. Gehydrateerd BTLE liposoom schorsingen kunnen ook direct bereid worden (in plaats van bevriezen-ontdooien en extrusie) door het plaatsen van de gesloten schorsing flacon in in een bad ultrasoonapparaat bij 55 °C gedurende ~ 15 min.

4. de reconstitutie van Alamethicin peptiden

Opmerking: Deze procedure beschrijft het proces van alamethicin reconstitutie in liposomen om een eindconcentratie van 1 μM. Deze concentratie is voldoende voor het opwekken van de stromingen van de nb-niveau vergelijkbaar met de eerder gepubliceerde12. Verhoging van de peptide concentratie vermindert het schakelpunt drempel en vergroten de amplitudes van stromingen geïnduceerd door de toegepaste spanning29.

  1. Los alamethicin peptiden in ethanol om een eindconcentratie van 2,5 mg/mL, vortex kort aan meng goed, en het opslaan van de stockoplossing in vriezer (-20 °C).
    Opmerking: Alamethicin peptiden worden meestal gekocht in poedervorm.
  2. Meng in een 1,5 mL safe-lock buis, 99 μL van de oplossing "A" met 1 μL van de stockoplossing van het alamethicin tot een concentratie van de uiteindelijke alamethicin van 13 μM de schorsing van de liposomen.  Vortex te goed mengen. Verwijzen naar de resulterende peptide-liposoom oplossing als "B".
  3. Mix-117 μL van oplossing "A" met 10 μL van oplossing B tot een concentratie van de uiteindelijke alamethicin van 1 mM, waarna de vortex aan meng goed. Verwijzen naar de resulterende oplossing als "C".
  4. Opslaan van de oplossingen "B"" " en "C"" bij 4 °C en gebruik zo nodig.

5. bereiding van Agarose gel

  1. Met behulp van een massabalans digitale, hoge precisie en een schone spatel, 0,5 g agarose poeder toevoegen aan een schoon gewicht papier.
  2. Overdracht woog agarose in een bekerglas van 100 mL schoon glas en voeg 50 mL DI water aan de agarose.
    Opmerking: Dit zal een 1% (wt/vol) agarose gel-oplossing opleveren.
  3. Plaatst u een schone roeren magneet in het bekerglas van glas en plaats het bekerglas op een opzwepende warmhoudplaat.
  4. Tijdens het roeren, breng het mengsel aan de kook totdat agarose volledig is opgelost.
  5. Neem het bekerglas van de verwarmingsplaat te laat het mengsel afkoelen tot kamertemperatuur. Bewaren bij 4 °C en gebruiken wanneer nodig.
  6. Voordat u opnieuw, opnieuw de agarose door verwarming met een hete plaat of magnetron te smelten.

6. fabricage van de olie-Reservoir

Opmerking: De hieronder beschreven procedure is slechts een van vele manieren dat een olie-reservoir kan worden vervaardigd. De lezer wordt aangemoedigd om te ontwerpen en fabriceren van een reservoir op basis van beschikbare materialen, machinale bewerking mogelijkheden en specifieke behoeften.

  1. Met behulp van een lintzaag, snij een 12 x 12 x 12 mm acryl kubus op basis van een grotere 12 mm dikke acrylplaat.
  2. Molen een gat diameter 12 mm tot een diepte van 8-12 mm in de acryl buis (Figuur 1a).

7. voorbereiding van de elektroden

  1. Met behulp van schaar, Knip twee stukken (75 mm) van zilveren draden (125 μm-diameter).
  2. Met behulp van een open-flame lichter, smelt een uiteinde van elke zilver draad naar vorm kleine bolvormige ballen (ongeveer 250 micrometer in diameter).
  3. Dompel de bal eindigt op bleekmiddel gedurende 1-2 uur aan het maken van een zilveren zilverchloride (Ag/AgCl) coating. Een donker grijze kleur geeft aan dat de Ag/AgCl coating heeft gevormd (Figuur 2a).
  4. Verwijder beide draden van bleekmiddel, Spoel grondig met DI water en plaats opzij op een schone pluisvrije doekje.
  5. Dompel de bal eindigt in gesmolten agarose gel om te maken van een dun laagje. Deze coating gel helpt om de waterige druppels op de draden onder de olie te verankeren.
  6. Met behulp van een glassnijder, splitsen een 10 cm lange, 1/0,58 OD/ID mm borosilicaatglas capillaire in twee 5 cm haarvaten.
  7. Exemplaren van de glazen haarvaten invoegen in een elektrode-houder (Figuur 2b, c), en voer vervolgens een van de draad van de Ag/AgCl in de glazen capillaire (figuur 2d). De andere Ag/AgCl-draad in het tweede glas capillaire voeden.
  8. Monteer de tweede glazen viscometerbuizen aan een glas micropipet houder (figuur 2e, f).

8. het opzetten van het Experiment

  1. Plaats een glasplaatje van 1 mm dik, 25 x 75 mm in het werkgebied van een omgekeerde Microscoop (Figuur 1a).
  2. Afzien van een paar druppels van hexadecaan olie in het midden van het glasplaatje, en plaats dan de olie-reservoir rechtstreeks op de olie op het glasplaatje.
    Opmerking: Het toevoegen van olie tussen het glas dia en olie reservoir aan de brekingsindex van het substraat te verstrekken van nog scherpere en helderdere beelden wordt gebruikt.
  3. Volledig vullen van de olie-reservoir met hexadecaan olie. Zorg ervoor dat het reservoir boven het objectief is geplaatst.
    Opmerking: Andere hydrofobe oliën kunnen ook worden gebruikt.
  4. De elektrode-houder verbinden met de headstage van een huidige versterker. De headstage moet worden gemonteerd op een micromanipulator (Figuur 1a) om te minimaliseren van de elektrode lengte en elektrische ruis.
  5. Monteer de houder van de micropipet van het glas met de tweede Ag/AgCl-draad op een andere micromanipulator (Figuur 1a).
  6. Met behulp van de manipulatoren, positie van de elektroden zodanig dat de agarose bekleed uiteinden van de draden Ag/AgCl zijn volledig ondergedompeld in de olie-reservoir op een soortgelijke verticaal vlak.
  7. Uitlijnen van de twee elektroden en scheid de items door een paar millimeter (Figuur 1a, b).
    Opmerking: Na het toevoegen van de druppels (beschreven in stap 13), de draden moeten helemaal naar beneden tot de elektrode-tips zijn het aanraken van de bodem van het reservoir van olie. Deze stap zal ervoor zorgen dat de draden niet doen schommelen, en dus van geen onnodige fluctuaties in de gemeten huidige minimaliseren zal.

9. goede aarding om elektrische ruis

  1. Maak een bus van de grond door threading een schroef in de tabel van de anti-trillingen waarop de Microscoop is geplaatst (Figuur 3a).
    Opmerking: Met een anti-trillingen-tabel is vereist om te minimaliseren van trillingen uit de omgeving die leiden ongewenste schommelingen in gemeten huidige tot kunnen.
  2. Met behulp van een geleidende draad, sluit de schroef op een aarde-grond (Figuur 3a), en sluit vervolgens het stadium van de Microscoop op de bus van de grond.
  3. Plaats een kooi van Faraday boven de experimentele opzet te verminderen van ruis en elektrisch verbind deze vervolgens met de bus van de grond (Figuur 3b).
    Opmerking: Is het altijd aanbevolen om te voorkomen dat geen onnodige grond loops, omdat ze tot een toename van het geluidsniveau van de meting leiden kunnen.

10. feedback-gecontroleerde verwarming

  1. Een aluminium verwarming schelp waarin het olie reservoir snugly29 pastin de machine.
  2. Zorg ervoor dat u laat een opening aan de onderkant van de shell te kunnen bekijken via naar de shell via de omgekeerde Microscoop.
  3. Plaats een 30 x 30 mm resistieve polyimide flexibele verwarmingselement onder de aluminium omhulsel.
  4. Plaats een isolerende Polydimethylsiloxaan (PDMS) wafer onder de kachel te beperken van warmteverlies in de neerwaartse richting en het stadium van de Microscoop te beschermen.
  5. Een thermokoppel invoegen in de olie-fase. Nadat ervoor te zorgen dat de thermokoppel niet beide Ag/AgCl-draad raakt, sluit u de thermokoppel kabels aan een thermokoppel data acquisitie bestuur en de record temperatuur met behulp van aangepaste programmering software.
    Opmerking: Schrijf een On / Off, proportioneel integrale (PI) feedback temperatuurregeling zodat verwarming en passieve koeling van de olietemperatuur in een gewenste waarde. Codes kunnen aan lezers op verzoek worden verstrekt.

11. het opzetten van Software en apparatuur

  1. Bereid de data acquisitie software door aandrijven op computer (s), Microscoop functiegenerator, huidige versterker en geluidsarme data acquisitie systemen.
    Opmerking: Terwijl alle huidige sensing apparatuur kan worden gebruikt, zijn de volgende instructies speciaal voor degene die zijn vermeld in Tabel van materialen. Onderzoekers die willen bouwen hun eigen huidige versterker kunnen verwijzen naar de Shlyonsky et al.30.
  2. Op het voorpaneel van de patch-clamp huidige versterker, zet het display van het voorpaneel en bron-meting modus belt naar VHOLD/IHOLD en V-CLAMP, respectievelijk.
  3. Op het voorpaneel, door de lage frequentie doorlaten Bessel-Filter krijgen tot 1 kHz en Output naar 0,5 te instellen.
    Opmerking: Het kiezen van een lage output winst kunt opnemen van grotere hogere huidige amplitudes, overwegende dat verhoging van de winst offers meetbereik voor beperking van het lawaai van de meting.
  4. Stel in de configuratie op hele cel β = 1. Deze waarde kan worden later schakelde over op 0.1 om opname van grotere amplitude stromingen.
  5. Stel alle andere controle wijzerplaten op nul of in een neutrale positie.
  6. Initialiseren van de software door te dubbelklikken op het pictogram van het bureaublad.
  7. Klik op configuratie | Digitizer opent het dialoogvenster Digitizer , en klik vervolgens op de knop wijzigen .
  8. Selecteer de juiste digitizer lijst Digitizer Type in het dialoogvenster Wijziging Digitizer .
  9. Klik op de knop Scan om te ontdekken de digitizer.
  10. Klik op OK om het dialoogvenster Wijzigen Digitizer sluiten en klik vervolgens op OK om het dialoogvenster Digitizer sluiten.
  11. Klik op Configuur | Lab Bench.
  12. In het tabblad Input signalen van de Lab-Bench, stelt u de schaalfactor op 0.0005 V/pA.
    Opmerking: Deze waarde moet worden bijgewerkt als de winst of β-waarden worden gewijzigd.

12. Pipet Offset

Opmerking: De hieronder beschreven procedure geldt alleen voor de huidige versterker genoemd in Tabel van materialen.

  1. Met behulp van een micropipet, 200 inlegt nL van de lipide-waterige oplossing "A" op de uiteinden van elke draad Ag/AgCl onder olie.
  2. De druppels in contact brengen en druk op de ZAP -knop op het voorpaneel van de versterker aan de druppels samensmelten tot één volume verspreid over beide elektroden. Dit moet opwekken van een reactie kortsluiting.
  3. Ingestelde bron-meting instelwiel naar TRACK.
  4. Wijzig het voorpaneel display wiel VTRACK.
  5. Draai de PIPETTER OFFSET bellen (met de klok mee of tegen de klok in) tot meter leest 0 mV en is stabiel.
  6. Het instelwiel van de bron-meting terug naar V-CLAMP en het voorpaneel dial weergeven tot en met Vhouden/Ihouden.

13. vorming van het lipide dubbelgelaagde

  1. Laat de druppels die eerder waren neergelegd door het bewegen van de elektroden verticaal uit de olie-fase. Dit zorgt ervoor dat de druppels te vallen van de elektroden in de olie. Opnieuw onderdompelen en de positie van de elektroden in de olie.
  2. Gebruik de micropipet aan borg 200 nL van lipide oplossing "A" op elk van de draden.
  3. Wacht 3-5 min voor spontane lipide enkelgelaagde vergadering optreden bij elke water/olie-interface.
    Opmerking: als de lipide enkelgelaagde vormen, het water/vet/olie interface oppervlaktespanning afneemt, waardoor de druppels te verzakken als de omliggende olie voldoende minder dichte21 is.
  4. Lager de elektroden (druppels) tot de uiteinden van beide elektroden nauwelijks aanraken van de bodem van de olie-reservoir (Figuur 1b), en verplaats deze horizontaal om de druppels in contact.
    Opmerking: De lipide dubbelgelaagde zal spontaan dun door met uitzondering van overtollige olie tussen de contactmogelijkheden druppels. Dit proces treedt meestal op binnen 1 min.

14. elektrische karakterisering van de Onderzoeksgroep Biomoleculaire Memristor

  1. Lipide dubbelgelaagde vorming
    1. Als u wilt opnemen van het lipide dubbelgelaagde formatie, die overeenkomt met een toename van de elektrische capaciteit tussen druppels, een 10 Hz, 10 mV driehoekige golfvorm spanning met behulp van een functiegenerator (Figuur 4) aangesloten op de externe aansluiting van de klem van de patch toepassen versterker.
      Opmerking: Vanwege de capacitieve aard van het lipide membraan moet de resulterende huidige reactie een vierkante golfvorm (Figuur 4). Tijdens de lipide dubbelgelaagde vorming, stap 11,6, moet de onderzoeker een groei in de huidige amplitude van piek-tot-piek te zien en ook observeren een visuele verandering tussen verbonden druppels (Figuur 4).
  2. Stroom-spanning-metingen
    Opmerking: De memristor biomoleculaire is gemodelleerd als een weerstand en een condensator in parallelle12,21. De huidige reactie van het apparaat kan dus zowel resistieve en capacitieve componenten afhankelijk van de frequentie van de toegepaste spanning bevatten. Te bestuderen van de aard van de memristive van het apparaat, en te verkrijgen de beknelde hysteretic stroom-spanning-relatie12, wellicht capacitieve stroom van de totale huidige aftrekken. Het protocol hieronder wordt deze procedure beschreven.
    1. Met een functiegenerator, het toepassen van een spanning golfvorm (driehoekig of sinusvormige) naar een alamethicin-vrije lipide membraan geassembleerd met druppels van de oplossing "A".
    2. Record de geïnduceerde huidige reactie over meerdere frequenties.
      Opmerking: Capacitieve stromen zijn geminimaliseerd op frequenties onder 10 mHz.
    3. De grootte van de Interfaciale lipide dubbelgelaagde door het meten van de diameter van het lipide membraan op computer of door opname van de piek-tot-piek huidige amplitude die voortvloeien uit de 10 Hz, 10 mV driehoekige Golf opnemen. De huidige amplitude is evenredig aan de membraan-capaciteit, die op zijn beurt is evenredig met de oppervlakte van het membraan.
    4. Verwijder de druppels die geen alamethicin bevatten.
    5. Voeg nieuwe waterige druppels met behulp van de oplossing "C" en een lipide dubbelgelaagde vormen.
    6. Gebruik de micromanipulators om te passen contact tussen druppels zodanig dat de dubbelgelaagde een soortgelijk gebied (diameter of blokgolf huidige amplitude) als de één eerder gevormd heeft.
    7. Herhaal stap 14.2.1 en 14.2.2.
    8. Aftrekken huidige opgenomen in stap 14.2.2 vanuit tegenwoordig opgenomen in stap 14.2.7.
    9. Plot de geïnduceerde stroom versus toegepaste spanning voor elke frequentie en golfvorm om de "geknepen hysteresis" memristive antwoord te krijgen.
  3. Pulse experimenten
    1. Met behulp van een aangepaste programmeersoftware en analoge spanningsbron, genereren spanning pulsen met specifieke hoge en lage amplitudes, op tijd, en tijd.
      Opmerking: Dit is niet nodig als de spanning pulsen kunnen worden gegenereerd met behulp van een commerciële functiegenerator.
    2. Record de huidige reactie op toegepaste pulsen.
    3. Het capacitieve karakter van de memristor, zal capacitieve spikes worden opgenomen. Spikes verwijderen door het toepassen van een low-pass filter met passende passband.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Figuur 1 toont de experimentele opzet gebruikt te monteren en de memristor biomoleculaire karakteriseren. Verlaging van de vrije uiteinden van de elektroden naar de bodem van het reservoir van olie, zoals weergegeven in Figuur 1b, bleek nuttig om te minimaliseren van de trillingen van de elektroden en druppeltjes die leiden variaties in gemeten huidige en dubbelgelaagde gebied, vooral in gevallen tot kunnen waar de stookolie kunt genereren convectieve stroom in ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Dit document stelt een protocol voor het monteren en karakteriseren van biomoleculaire memristors afhankelijk van de ion kanaal-doped synthetische biomembranen gevormd tussen twee druppeltjes van water in olie. Het zachte materiaal, twee-terminal apparaat is ontworpen en studeerde tot: 1) overwinnen beperkingen die gekoppeld aan solid-state technologie, zijn zoals hoge ruis, hoog energieverbruik en hoog het schakelen van spanningen, 2) nauwer na te bootsen de samenstelling, structuur over te schakelen van mechanismen voo...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Dit manuscript heeft geschreven door UT-Battelle, LLC, onder het veld Contractnr. DE-AC0500OR22725 met het Amerikaanse ministerie van energie. De regering van de Verenigde Staten behoudt en de uitgever, door het aanvaarden van het artikel voor publicatie, erkent dat de regering van de Verenigde Staten behoudt een niet-exclusieve, gestorte, onherroepelijke, wereldwijde licentie om te publiceren of te reproduceren van het gepubliceerde formulier van Dit manuscript, of toestaan dat anderen te doen, voor de doeleinden van de regering van de Verenigde Staten.

Dankbetuigingen

Financiële steun werd voorzien door de National Science Foundation Grant NSF ECCS-1631472. Onderzoek voor G.J.T., C.D.S., A.B., en C.P.C. was gedeeltelijk gesponsord door het laboratorium gericht onderzoek en ontwikkeling programma van Oak Ridge National Laboratory, beheerd door UT-Battelle, LLC, voor het Amerikaanse ministerie van energie. Een deel van dit onderzoek werd uitgevoerd in het midden voor Nanophase Materials Sciences, die een DOE-Office van wetenschap gebruiker faciliteit is.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
1,2-diphytanoy-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC)Avanti Polar Lipids850356P/850356CAangeschaft als gelyofiliseerd poeder (P) of in chloroform (C) 
Agarose Sigma-AldrichA9539
Agarose (0.5g Agarose-tabletten)BenchmarkA2501U kunt ofwel de poedervorm of de tabletten gebruiken 
Alamethicin AG ScientificA-1286
Analytische weegschaal Mettler ToledoME204TE/00
Axopatch 200B Versterker Molecular Devices-
BK Precision 4017B 10 MHz DDs Sweep/FunctiegeneratorDigi-KeyBK4017B-ND
Borosilicaat glazen capillaire buisjesWorld Precision Instruments1B100F-4
Brain Total Lipid Extracts (Porcine)Avanti Polar Lipids131101
DigiData 1440A systeemMolecular Devices-
Extruderset met houder/verwarmingsblok Avanti Polar Lipids610000Dit omvat een mini-extruder, 2 spuiten, 100 PC membranen, 100 filterondersteuningen en 1 houder/verwarmingsblok
Vrieskast (-20 °C)VWR InternationalSCUCBI0420AD
LaboratoriumglaswerkVWR International-
Hexadecaan, 99%Sigma-Aldrich544-76-3
Isopropyl AlcoholVWR InternationalBDH1133-4LP
Microelektrode houder World Precision InstrumentsMEH1S
MOPSSigma-AldrichM1254
Stikstof (N2) GasAirgasUN1066
Parafilm M All-Purpose LaboratoriumfilmParafilmPM999
Poedervrije zachte nitril onderzoekshandschoenen VWR InternationalCA89-38-272
Voorgereinigde microscoopglazen Fisher Scientific 22-267-013
Koelruimte (4 °C)VWR InternationalSCUCFS-0504G
ZilverdraadGoodFellow147-346-94Er kunnen verschillende diameters worden gebruikt, afhankelijk van de toepassing 
Natriumchloride (KCl)Sigma-AldrichP3911
Roerende verwarmingsplaatThermo Scientific SP131325
VWR Light-Duty Tissue WipersVWR International82003-820
VWR Scientific 50D UltrasoonreinigerVWR International13089

Referenties

  1. Thompson, R. F. The neurobiology of learning and memory. Science. 233 (4767), 941-947 (1986).
  2. Squire, L. R. Memory systems of the brain: a brief history and current perspective. Neurobiology of learning and memory. 82 (3), 171-177 (2004).
  3. Benfenati, F. Synaptic plasticity and the neurobiology of learning and memory. Acta Bio Medica Atenei Parmensis. 78 (1Suppl), 58-66 (2007).
  4. Marx, G., Gilon, C. The molecular basis of memory. ACS Chemical Neuroscience. 9 (8), 633-642 (2012).
  5. Izquierdo, I., Medina, J. H. Memory formation: the sequence of biochemical events in the hippocampus and its connection to activity in other brain structures. Neurobiology of learning and memory. 68 (3), 285-316 (1997).
  6. Merolla, P. A. A million spiking-neuron integrated circuit with a scalable communication network and interface. Science. 345 (6197), 668-673 (2014).
  7. Benjamin, B. V. Neurogrid: A mixed-analog-digital multichip system for large-scale neural simulations. Proceedings of the IEEE. 102 (5), 699-716 (2014).
  8. Furber, S. Large-scale neuromorphic computing systems. Journal of neural engineering. 13 (5), 051001(2016).
  9. Di Ventra, M., Pershin, Y. V. The parallel approach. Nature Physics. 9 (4), 200-202 (2013).
  10. Chua, L. Memristor-the missing circuit element. IEEE Transactions on circuit theory. 18 (5), 507-519 (1971).
  11. Di Ventra, M., Pershin, Y. V., Chua, L. O. Circuit elements with memory: memristors, memcapacitors, and meminductors. Proceedings of the IEEE. 97 (10), 1717-1724 (2009).
  12. Najem, J. S. Memristive Ion Channel-Doped Biomembranes as Synaptic Mimics. ACS Nano. , (2018).
  13. Strukov, D. B., Snider, G. S., Stewart, D. R., Williams, R. S. The missing memristor found. Nature. 453 (7191), 80-83 (2008).
  14. Prezioso, M. Training and operation of an integrated neuromorphic network based on metal-oxide memristors. Nature. 521 (75550), 61-64 (2015).
  15. Prodromakis, T., Toumazou, C., Chua, L. Two centuries of memristors. Nature Materials. 11 (6), 478(2012).
  16. Berzina, T. Optimization of an organic memristor as an adaptive memory element. Journal of Applied Physics. 105 (12), 124515(2009).
  17. van de Burgt, Y., Melianas, A., Keene, S. T., Malliaras, G., Salleo, A. Organic electronics for neuromorphic computing. Nature Electronics. 1, (2018).
  18. Dan, Y., Poo, M. M. Spike timing-dependent plasticity: from synapse to perception. Physiological reviews. 86 (3), 1033-1048 (2006).
  19. Zucker, R. S., Regehr, W. G. Short-term synaptic plasticity. Annual Reviews of Physiology. 64 (1), 355-405 (2002).
  20. Shepherd, J. D., Huganir, R. L. The cell biology of synaptic plasticity: AMPA receptor trafficking. Annual Review of Cell Developmental Biology. 23, 613-643 (2007).
  21. Taylor, G. J., Venkatesan, G. A., Collier, C. P., Sarles, S. A. Direct in situ measurement of specific capacitance, monolayer tension, and bilayer tension in a droplet interface bilayer. Soft Matter. 11 (38), 7592-7605 (2015).
  22. Najem, J. S. Activation of bacterial channel MscL in mechanically stimulated droplet interface bilayers. Scientific Reports. 5, 13726(2015).
  23. Taylor, G. J. Capacitive Detection of Low-Enthalpy, Higher-Order Phase Transitions in Synthetic and Natural Composition Lipid Membranes. Langmuir. 33 (38), 10016-10026 (2017).
  24. Taylor, G. Electrophysiological interrogation of asymmetric droplet interface bilayers reveals surface-bound alamethicin induces lipid flip-flop. Biochimica et biophysica acta (BBA)-Biomembranes. , (2018).
  25. Sarles, S. A., Garrison, K. L., Young, T. T., Leo, D. J. Formation and Encapsulation of Biomolecular Arrays for Developing Arrays of Membrane-Based Artificial Hair Cell Sensors. Proceedings of the Asme Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems (Smasis 2011), Vol 2. , 663-671 (2011).
  26. Sarles, S. A., Leo, D. J. Membrane-based biomolecular smart materials. Smart Materials & Structures. 20 (9), (2011).
  27. Sarles, S. A. Physical encapsulation of interface bilayers. , Virginia Tech. (2010).
  28. JoVE Science Education Datatbase. Organic Chemistry II. Cleaning Glassware. Journal of Visualized Experiments. , Cambridge, MA. (2018).
  29. Taylor, G. J., Sarles, S. A. Heating-enabled formation of droplet interface bilayers using Escherichia coli total lipid extract. Langmuir. 31 (1), 325-337 (2014).
  30. Shlyonsky, V., Dupuis, F., Gall, D. The OpenPicoAmp: an open-source planar lipid bilayer amplifier for hands-on learning of neuroscience. Plos One. 9 (9), e108097(2014).
  31. Najem, J. S. Micropipette-based Method for Incorporation And Stimulation of Bacterial Mechanosensitive Ion Channels in Droplet Interface Bilayers. Journal of Visualized Experiments. (105), (2015).
  32. Bayley, H. Droplet interface bilayers. Molecular Biosystems. 4 (12), 1191-1208 (2008).
  33. Nguyen, M., Srijanto, B., Retterer, S., Collier, C. P., Sarles, S. A. Hydrodynamic trapping for rapid assembly and in situ electrical characterization of droplet interface bilayer arrays. Lab on a Chip. 16, 3576-3588 (2016).
  34. A Soft-Matter Biomolecular Memristor Synapse for Neuromorphic Systems. Weiss, R., Najem, J. S., Hasan, M. S., Schuman, C. D., Belianinov, A., Collier, C. P., Sarles, S. A., Rose, G. S. IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS), 1984 Mar 30-31, Cleveland, Ohio, , (2018).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Vorming van lipide dubbellagenalamethicine peptidendroplet interface bilayercyclische voltammetriestroom spanningsrelatiekortetermijnplasticiteitpreparatie van liposomenmembraanweerstandiontransport

Gerelateerde artikelen