Vertalen van extracellulaire elektronenoverdrachtsactiviteiten met organische elektrochemische transistors

Ons onderzoek richt zich op de ontwikkeling van bio-elektronica die bacteriële extracellulaire elektronenoverdracht of EET integreert om biosensor- en biocomputingtoepassingen uit te breiden. We zijn op zoek naar antwoorden op de vraag hoe EET interageert met elektronische materialen, hoe we EET genetisch kunnen reguleren om de elektrische prestaties te optimaliseren en of er nieuwe opkomende kenmerken zijn in deze elektrochemische systemen die levende cellen bevatten. Vooruitgang in het onderzoek naar bacteriële HR-cellen of elektronenoverdracht maakt gebruik van synthetische biologie voor het ontwerpen van EET-routes, een elektrochemisch systeem voor redoxmonitoring bijvoorbeeld, en microscopie voor celactiviteiten, het uitvoeren van atoomkrachtmicroscopie en macro-elektroden voor elektronenstroomanalyse en geavanceerde spectroscopie zoals UAV's Raman voor karakterisering van materiaalbiologie-interfaces.

We tonen aan dat genetisch gemanipuleerde aangetoond op ziekte OECT-outputs kan moduleren, waardoor biologisch aangedreven elektrische reacties mogelijk worden. Bevindingen omvatten het illustreren van de directe en indirecte EET-routes die van invloed zijn op de prestaties van bio-elektronica, het koppelen van genetische logica aan elektrische resultaten en het afstemmen van genetische plasticiteit via EET. Vergeleken met traditioneel OECT-werk bieden levende cellen voordelen zoals dynamische genetisch programmeerbare controles door extracellulaire elektronenoverdracht en het vermogen om cellulaire metabolismen te benutten voor real-time reacties.

Vergeleken met traditionele biologische circuits die fluorescentiereporters gebruiken, leveren OECT-gebruikers snellere directe elektrische resultaten met een hoge gevoeligheid. Ons toekomstige werk omvat het uitbreiden van genetische circuits om EET aan te drijven en het ontwikkelen van epigenetica of optogenetica om elektronica in staat te stellen EET-genexpressie te moduleren. We zijn ook geïnteresseerd in het creëren van controlelussen voor toepassingen zoals neurale netwerktraining.

Ten slotte onderzoeken we diverse OECT-kanaalmaterialen en de opname van microfluïdica en stellen we zuurstofgeneratie in om de prestaties van het apparaat verder te beheersen. Om te beginnen autoclaaf de organische elektrochemische transistor of OECT-dia's, polydimethylsiloxaan- of PDMS-vellen en zilveren, zilverchloride referentie-elektrode. Bak de onderdelen van de autoclaaf op 80 graden Celsius om ze te drogen.

Breng de OECT-objectglaasjes van de autoclaaf en de zilveren, zilverchloride referentie-elektrode over in het dashboardkastje. Onderwerp de PDMS-vellen gedurende vier uur aan een vacuüm in de antikamer van het dashboardkastje om de ingesloten zuurstof te desorberen. Om vervolgens het OECT-apparaat in elkaar te zetten, plaatst u de PDMS-vellen over de OECT-dia's.

Injecteer 45 microliter Shewanella basaal medium, of SBM, in elke OECT-kamer. Bedek de OECT-kamerpoorten met PDMS-vellen om verdamping en vervuiling door medium te voorkomen. Begin de eerste OECT-elektrochemische meting met het meten van de kanaalstroom-IDS voor een poortspanningsstap van nul tot 0.2 volt.

Bewaak de OECT-kanaalafvoerstroom of IDS onder een constante kanaalafvoerbronspanning of VDS van min 0.05 volt en poortspanning VGS van 0.2 volt totdat de stroom stabiliseert. Configureer instrumentkanaal één om de huidige IDS van het OECT-kanaal te meten. Stel de naam van de techniek in op Snelle amperometrie, de evenwichtstijd op één seconde, de evenwichtsspanning op min 0,05 volt, de biasspanning op min 0,05 volt, de looptijd op 14 seconden en het sample-interval op 0,5 milliseconden.

Configureer vervolgens instrumentkanaal twee om de poortspanning VGS te regelen. Stel de naam van de techniek in op Gemengde modus, conditioneer de tijd op één seconde, conditie voltage op nul volt, stage één mode op constante E, stage één bias voltage op nul volt. Fase één looptijd tot vier seconden.

Fase twee modus naar constante E, fase twee bias spanning naar 0,2 volt. De looptijd van fase twee is 10 seconden en het sample-interval is 0,5 milliseconden. Pas een constante kanaalspanning VDS van min 0.05 volt en poortspanning VGS van 0.2 volt toe op alle OECT-apparaten.

Centrifugeer de Shewanella oneidensis suspensie bij 1500 3G gedurende vier minuten en was de celpellet driemaal met één milliliter vers groeimedium. Resuspendeer de cellen na de laatste wasbeurt in 0,5 milliliter of de helft van het oorspronkelijke kweekvolume om een geconcentreerde celsuspensie te verkrijgen met een optische dichtheid van 600 van één tot 3,5. Breng de geconcentreerde celsuspensie over in het dashboardkastje.

Bereid het inoculum voor door de cellen te verdunnen tot een beoogde optische dichtheid van 0,1, met behulp van de SBM+ aangevuld met lactaat dat vers is bereid in het dashboardkastje met gezuiverde mediavoorraden. Stop de potentiostaat. Injecteer vijf microliter van het voorbereide inoculum in de OECT-kamer met 45 microliter SBM om een uiteindelijke absorptie van 0,01 te bereiken.

Bedek de OECT-kamerpoorten met PDMS-vellen om gemiddelde verdamping en vervuiling te voorkomen. Voor anaërobe culturen verdunt u de Shewanella-celcultuur tienvoudig met behulp van een verdunningsmedium met dezelfde samenstelling als het groeimedium. Injecteer na het stoppen van de potentioststaat vijf microliter van het anaërobe inoculum in de OECT-kamer, die 45 microliter SBM-medium bevat.

Bedek de poorten van de OECT-kamer met PDMS-vellen. Pas constante biasspanningen toe op de OECT-kanalen met een kanaalspanning VDS van min 0.05 volt en poortspanning VGS van 0.2 volt gedurende 24 uur. Koppel de potentiële statistiek alleen los van individuele OECT-apparaten tijdens tijdpuntmetingen voor karakterisering.

Monitor significante veranderingen in de dopingtoestand van het OECT-kanaal gedurende de eerste acht uur. Steek na 24 uur de zilveren, zilverchloride-referentie-elektrode in de OECT-kamer door deze voorzichtig te draaien en door de vloeistofuitwisselingspoort te duwen. Meet de overdrachtscurves van de OECT door de poortspanning te vegen van min 0.1 volt naar 0.6 volt terwijl u de kanaalstroom-IDS bewaakt met een constante bias voltage VDS van min 0.05 volt.

Meet tegelijkertijd de nauwkeurige poort- en bronelektrodepotentialen ten opzichte van de referentie-elektrode. Configureer instrumentkanaal één om de OECT-kanaalstroom-IDS te meten met behulp van de chronoamperometrietechniek. Stel de evenwichtstijd in op vijf seconden, de evenwichtsspanning op min 0,05 volt, de biasspanning op min 0,05 volt, de looptijd op 35 seconden en het sample-interval op 0,09915 seconden.

Configureer vervolgens instrumentkanaal twee om de OECT-poortspanning VGS te regelen met behulp van lineaire sweep-voltammetrie. Stel de evenwichtstijd in op vijf seconden, de evenwichtsspanning op min 0,1 volt. Begin de spanning op min 0,1 volt.

Beëindig de spanning tot 0,6 volt. Voltage stap naar 0,002 volt en scansnelheid naar 0,02 volt per seconde. Configureer instrumentkanaal drie om de OECT-bronpotentiaal VS te meten ten opzichte van de zilver-, zilverchloride-referentie-elektrode met behulp van Open Circuit Potentiometrie.

Stel de looptijd in op 40 seconden en het sample-interval op 0,09915 seconden. Configureer instrumentkanaal vier om de OECT-poortpotentiaal VG te meten ten opzichte van de referentie-elektrode met behulp van Open Circuit Potentiometrie. Stel de looptijd in op 40 seconden en het sample-interval op 0,09915 seconden.

Spoel na elke meting de referentie-elektrode af met 70%ethanol en veeg deze af met een nieuwe handdoek met weinig pluis. De fitte snelheidsconstanten voor elektronenoverdrachtsactiviteit vertoonden significante verschillen tussen stammen, waarbij de Delta MtrC- en Delta MTR-mutanten verminderde constanten vertoonden in vergelijking met wildtype S.oneidensis MR-1. Aanvulling van mutanten met MtrC of MTRC AB herstelde de snelheid tot wildtype-niveaus onder induceromstandigheden.

De OECT-kanaalstroom vertoonde een snelle detectie van elektronenoverdrachtsactiviteit met afvoerbronstroom en genormaliseerde afvoerbronstroom met statistisch significante verschillen tussen stammen binnen 1,5 uur na inoculatie. Abiotische controles en niet-geïnduceerde mutanten vertoonden minimale veranderingen, wat de gevoeligheid van het hybride systeem versterkte.