Assembly and Characterization of Biomolecular Memristors Consisting of Ion Channel-doped Lipid Membranes

Joseph S. Najem; Graham  J. Taylor; Nick Armendarez; Ryan  J. Weiss; Md  Sakib Hasan; Garrett  S. Rose; Catherine  D. Schuman; Alex Belianinov; Stephen  A. Sarles; C.  Patrick Collier

doi:10.3791/58998

Montaż i charakterystyka memrystorów biomolekularnych składających się z błon lipidowych domieszk...

JoVE Journal
Bioengineering

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Journal Bioengineering

Assembly and Characterization of Biomolecular Memristors Consisting of Ion Channel-doped Lipid Membranes

Montaż i charakterystyka memrystorów biomolekularnych składających się z błon lipidowych domieszkowanych kanałami jonowymi

Full Text

8,376 Views

08:07 min

March 9, 2019

DOI: 10.3791/58998-v

Joseph S. Najem^1,2, Graham J. Taylor^2,3, Nick Armendarez⁴, Ryan J. Weiss⁵, Md Sakib Hasan⁵, Garrett S. Rose⁵, Catherine D. Schuman⁶, Alex Belianinov⁷, Stephen A. Sarles², C. Patrick Collier^2,3,7

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

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This protocol outlines the assembly and electrical characterization of peptide-doped biomembranes that mimic biological synapses. The technique allows for the assessment of memory resistance and short-term plasticity, relevant to biological systems.

Key Study Components

Area of Science

Neuroscience
Biophysics
Biomaterials

Background

Biomolecular memristors are inspired by biological synapses.
Insulating lipid bilayers are formed between water droplets in oil.
Voltage-activated alamethicin peptides enhance ionic conductance.
Understanding these systems aids in exploring cellular transport processes.

Purpose of Study

To develop a method for creating biomimetic membranes.
To characterize memory resistance in engineered systems.
To provide a framework for studying ion channel behavior.

Methods Used

Preparation of liposome solutions.
Assembly of droplet interface bilayers on electrodes.
Electrical characterization of the biomembranes.
Assessment of activity-dependent memory resistance.

Main Results

Demonstrated tunable memory resistance in biomembranes.
Showed potential for studying short-term plasticity.
Provided insights into the transport properties of engineered systems.
Highlighted the accessibility of the technique for new researchers.

Conclusions

The protocol enables the study of biomimetic membranes effectively.
It offers a valuable tool for understanding synaptic behavior.
Future applications may extend to various cellular transport processes.

Frequently Asked Questions

What are biomolecular memristors?

Biomolecular memristors are devices that mimic the behavior of biological synapses, utilizing biomolecules to achieve memory functions.

How does the technique work?

The technique involves assembling lipid bilayers and incorporating peptides to create a system that can mimic synaptic behavior.

What is the significance of voltage-activated alamethicin peptides?

These peptides enhance ionic conductance, allowing the biomembranes to exhibit memristive properties.

Who will demonstrate the procedure?

Dr. Joseph Najem, a postdoc from the laboratory, will demonstrate the procedure.

What skills should new researchers develop?

New researchers should become proficient in preparing liposome solutions and assembling droplet interface bilayers.

Miękkie, biomolekularne memrystory o niskiej mocy wykorzystują podobny skład, strukturę i mechanizmy przełączania biosynaps. Przedstawiono protokół składania i charakterystyki memrystorów biomolekularnych otrzymywanych z izolacji dwuwarstw lipidowych powstałych pomiędzy kropelkami wody w oleju. Włączenie aktywowanych napięciem peptydów alametycyny powoduje memrystywne przewodnictwo jonowe w poprzek błony.

Nasz protokół opisuje, jak złożyć i elektrycznie scharakteryzować biomembranę domieszkowaną peptydami, która ściśle naśladuje skład, strukturę i właściwości transportowe synaps biologicznych i która wykazuje przestrajalną odporność na pamięć. Technika ta umożliwia użytkownikom ocenę zależnej od aktywności, odporności pamięci i krótkotrwałej plastyczności w systemach inżynieryjnych w skalach czasowych i poziomach wzbudzenia istotnych dla synaps biologicznych i kanałów jonowych. Technika ta zapewnia ramy do charakteryzowania błon biomimetycznych zawierających kanały jonowe aktywowane napięciem, dzięki czemu ma zastosowanie do charakteryzowania różnych procesów transportu komórkowego, w tym tych w neuronach.

Nasza sugestia dla nowych badaczy jest taka, aby najpierw nabrali wprawy w przygotowywaniu roztworów liposomowych i składaniu dwuwarstwy interfejsu kropelkowego na elektrodach drutowych. Zobaczenie na własne oczy procesu dozowania kropel i pozycjonowania na elektrodach upraszcza tę technikę tworzenia dwuwarstw, czyniąc ją natychmiast dostępną dla wszystkich. Tę procedurę zademonstruje dr Joseph Najem, doktor habilitowany z mojego laboratorium.

View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos