Name: Translacja zewnątrzkomórkowych działań związanych z przenoszeniem elektronów za pomocą organicznych tranzystorów elektrochemicznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-01-31T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 44 s
Description: Poznaj metodę translacji zewnątrzkomórkowego przenoszenia elektronów w bakterii Shewanella oneidensis za pomocą organicznych tranzystorów elektrochemicznych. Technika ta umożliwia szybkie i wysokoprzepustowe pomiary aktywności EET.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Plazmidy bazowe dla obwodu NAND zostały hojnie dostarczone przez Voigt Lab za pośrednictwem Addgene (#49375, #49376, #49377). Badania te były wspierane finansowo przez Welch Foundation (Grant F-1929, B.K.K.), National Institutes of Health w ramach nagrody numer R35GM133640 (B.K.K.), nagrodę NSF CAREER (1944334, B.K.K.) oraz Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych pod numerem FA9550-20-1-0088 (B.K.K.). A.J.G. otrzymał stypendium National Science Foundation Graduate Research Fellowships (Nagroda Programowa No. DGE-1610403). Autorzy przyznają, że korzystają ze wspólnych obiektów badawczych wspieranych częściowo przez Texas Materials Institute, Center for Dynamics and Control of Materials: AN NSF MRSEC (DMR-1720595) oraz NSF National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (ECCS-1542159). Z wdzięcznością dziękujemy za korzystanie z urządzeń w głównym laboratorium mikroskopowym Instytutu Biologii Komórkowej i Molekularnej Uniwersytetu Teksańskiego w Austin.

Measuring Electron Transfer Activity in Shewanella oneidensis Using OECTs

<ol><li>Luo, Y. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Technology+roadmap+for+flexible+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Nano%22%5BJournal%5D)">Technology roadmap for flexible sensors.</a> Acs Nano. 17 (6), 5211-5295 (2023).</li>
<li>Din, M. O., Martin, A., Razinkov, I., Csicsery, N., Hasty, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interfacing+gene+circuits+with+microelectronics+through+engineered+population+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Ad%22%5BJournal%5D)">Interfacing gene circuits with microelectronics through engineered population dynamics.</a> Sci Ad. 6 (21), eaaz8344(2020).</li>
<li>Markovic, D., Mizrahi, A., Querlioz, D., Grollier, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physics+for+neuromorphic+computing%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Phys%22%5BJournal%5D)">Physics for neuromorphic computing.</a> Nat Rev Phys. 2 (9), 499-510 (2020).</li>
<li>Daniel, R., Rubens, J. R., Sarpeshkar, R., Lu, T. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthetic+analog+computation+in+living+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Synthetic analog computation in living cells.</a> Nature. 497 (7451), 619-623 (2013).</li>
<li>Ates, H. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((End-to-end+design+of+wearable+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Mater%22%5BJournal%5D)">End-to-end design of wearable sensors.</a> Nat Rev Mater. 7 (11), 887-907 (2022).</li>
<li>Rivnay, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organic+electrochemical+transistors%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Mater%22%5BJournal%5D)">Organic electrochemical transistors.</a> Nat Rev Mater. 3 (2), e17086(2018).</li>
<li>Rashid, R. B., Ji, X. D., Rivnay, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organic+electrochemical+transistors+in+bioelectronic+circuits%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">Organic electrochemical transistors in bioelectronic circuits.</a> Biosens Bioelectron. 190, 113461(2021).</li>
<li>Bernards, D. A., Malliaras, G. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Steady-state+and+transient+behavior+of+organic+electrochemical+transistors%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Funct+Mater%22%5BJournal%5D)">Steady-state and transient behavior of organic electrochemical transistors.</a> Adv Funct Mater. 17 (17), 3538-3544 (2007).</li>
<li>Lubrano, C., Matrone, G. M., Iaconis, G., Santoro, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+frontiers+for+selective+biosensing+with+biomembrane-based+organic+transistors%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Nano%22%5BJournal%5D)">New frontiers for selective biosensing with biomembrane-based organic transistors.</a> Acs Nano. 14 (10), 12271-12280 (2020).</li>
<li>Guo, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+single-molecule+detection+of+COVID-19+and+MERS+antigens+via+nanobody-functionalized+organic+electrochemical+transistors%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Rapid single-molecule detection of COVID-19 and MERS antigens via nanobody-functionalized organic electrochemical transistors.</a> Nat Biomed Eng. 5 (7), 666-677 (2021).</li>
<li>Pappa, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+metabolite+detection+with+an+n-type+accumulation+mode+organic+electrochemical+transistor%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Adv%22%5BJournal%5D)">Direct metabolite detection with an n-type accumulation mode organic electrochemical transistor.</a> Sci Adv. 4 (6), eaat0911(2018).</li>
<li>Siuti, P., Yazbek, J., Lu, T. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthetic+circuits+integrating+logic+and+memory+in+living+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Synthetic circuits integrating logic and memory in living cells.</a> Nat Biotechnol. 31 (5), 448-452 (2013).</li>
<li>Brophy, J. A. N., Voigt, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Principles+of+genetic+circuit+design%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Meth%22%5BJournal%5D)">Principles of genetic circuit design.</a> Nat Meth. 11 (5), 508-520 (2014).</li>
<li>Rubens, J. R., Selvaggio, G., Lu, T. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthetic+mixed-signal+computation+in+living+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Comm%22%5BJournal%5D)">Synthetic mixed-signal computation in living cells.</a> Nat Comm. 7, 11658(2016).</li>
<li>Rizik, L., Danial, L., Habib, M., Weiss, R., Daniel, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthetic+neuromorphic+computing+in+living+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Comm%22%5BJournal%5D)">Synthetic neuromorphic computing in living cells.</a> Nat Comm. 13 (1), 5602(2022).</li>
<li>Tseng, C. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solution-deposited+and+patternable+conductive+polymer+thin-film+electrodes+for+icmrobial+bioelectronics%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Mater%22%5BJournal%5D)">Solution-deposited and patternable conductive polymer thin-film electrodes for icmrobial bioelectronics.</a> Adv Mater. 34 (13), 2109442(2022).</li>
<li>Dundas, C. M., Graham, A. J., Romanovicz, D. K., Keitz, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extracellular+electron+transfer+by+Shewanella+oneidensis+controls+palladium+nanoparticle+phenotype%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Synth+Biol%22%5BJournal%5D)">Extracellular electron transfer by Shewanella oneidensis controls palladium nanoparticle phenotype.</a> Acs Synth Biol. 7 (12), 2726-2736 (2018).</li>
<li>Catania, C., Karbelkar, A. A., Furst, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+the+interface+between+electroactive+bacteria+and+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Joule%22%5BJournal%5D)">Engineering the interface between electroactive bacteria and electrodes.</a> Joule. 5 (4), 743-747 (2021).</li>
<li>Logan, B. E., Rossi, R., Ragab, A., Saikaly, P. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electroactive+microorganisms+in+bioelectrochemical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Na+Rev+Microbiol%22%5BJournal%5D)">Electroactive microorganisms in bioelectrochemical systems.</a> Na Rev Microbiol. 17 (5), 307-319 (2019).</li>
<li>Graham, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transcriptional+regulation+of+living+materials+via+extracellular+electron+transfer%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Chem+Biol%22%5BJournal%5D)">Transcriptional regulation of living materials via extracellular electron transfer.</a> Nat Chem Biol. 20 (10), 1329-1340 (2024).</li>
<li>Cao, Y. X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+synthetic+plasmid+toolkit+for+Shewanella+oneidensis+MR-1%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Microbiol%22%5BJournal%5D)">A synthetic plasmid toolkit for Shewanella oneidensis MR-1.</a> Front Microbiol. 10, 410(2019).</li>
<li>Mehes, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organic+microbial+electrochemical+transistor+monitoring+extracellular+electron+transfer%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Sci%22%5BJournal%5D)">Organic microbial electrochemical transistor monitoring extracellular electron transfer.</a> Adv Sci. 7 (15), 2000641(2020).</li>
<li>Gao, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+hybrid+transistor+with+transcriptionally+controlled+computation+and+plasticity%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">A hybrid transistor with transcriptionally controlled computation and plasticity.</a> Nat Commun. 15 (1), 1598(2024).</li>
<li>Yoo, B., Dodabalapur, A., Lee, D. C., Hanrath, T., Korgel, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Germanium+nanowire+transistors+with+ethylene+glycol+treated+poly%283%2C4-ethylenedioxythiophene%29%3A+poly%28styrene+sulfonate%29+contacts%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Phys+Lett%22%5BJournal%5D)">Germanium nanowire transistors with ethylene glycol treated poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrene sulfonate) contacts.</a> Appl Phys Lett. 90 (7), 072106(2007).</li>
<li>Tahernia, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+96-well+high-throughput%2C+rapid-screening+platform+of+extracellular+electron+transfer+in+microbial+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">A 96-well high-throughput, rapid-screening platform of extracellular electron transfer in microbial fuel cells.</a> Biosens Bioelectron. 162, 112259(2020).</li>
<li>Ainla, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Open-source+potentiostat+for+wireless+electrochemical+detection+with+smartphones%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Chem%22%5BJournal%5D)">Open-source potentiostat for wireless electrochemical detection with smartphones.</a> Anal Chem. 90 (10), 6240-6246 (2018).</li>
<li>Rowe, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CheapStat%3A+an+open-source%2C+%26%2334%3Bdo-it-yourself%26%2334%3B+for+analytical+and+educational+applications%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">CheapStat: an open-source, &#34;do-it-yourself&#34; for analytical and educational applications.</a> PLoS One. 6 (9), e23783(2011).</li>
<li>Salyk, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organic+electrochemical+transistor+microplate+for+real-time+cell+culture+monitoring%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Scil%22%5BJournal%5D)">Organic electrochemical transistor microplate for real-time cell culture monitoring.</a> Appl Scil. 7 (10), 998(2017).</li>
<li>Zhao, F. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light-induced+patterning+of+electroactive+bacterial+biofilms%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Synth+Biol%22%5BJournal%5D)">Light-induced patterning of electroactive bacterial biofilms.</a> Acs Synth Biol. 11 (7), 2327-2338 (2022).</li>
<li>Tan, S. T. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Operation+mechanism+of+organic+electrochemical+transistors+as+redox+chemical+transducers%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mater+Chem%22%5BJournal%5D)">Operation mechanism of organic electrochemical transistors as redox chemical transducers.</a> J Mater Chem. 9 (36), 12148-12158 (2021).</li>
<li>White, S. P., Dorfman, K. D., Frisbie, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Operating+and+sensing+mechanism+of+electrolyte-gated+transistors+with+floating+gates%3A+Building+a+platform+for+amplified+biodetection%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem%22%5BJournal%5D)">Operating and sensing mechanism of electrolyte-gated transistors with floating gates: Building a platform for amplified biodetection.</a> J Phys Chem. 120 (1), 108-117 (2016).</li>
<li>Huang, B., Gao, S., Xu, Z., He, H., Pan, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+functional+mechanisms+and+application+of+electron+shuttles+in+extracellular+electron+transfer%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Microbiol%22%5BJournal%5D)">The functional mechanisms and application of electron shuttles in extracellular electron transfer.</a> Curr Microbiol. 75 (1), 99-106 (2018).</li>
<li>Light, S. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+flavin-based+extracellular+electron+transfer+mechanism+in+diverse+Gram-positive+bacteria%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">A flavin-based extracellular electron transfer mechanism in diverse Gram-positive bacteria.</a> Nature. 562 (7725), 140-144 (2018).</li>
</ol>

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów.

Porównanie ogniw elektrochemicznych (EC) Jedną z głównych zalet dopasowania stałej szybkości od prądu kanału OECT jest to, że minimalizuje to zmienność urządzenia, skupiając się na podstawowej dynamice zmian IDS, a nie na surowym wyjściu. W połączeniu z nieodłączną zdolnością OECT do wzmacniania sygnału, podejście to zwiększa niezawodność hybrydowych systemów OECT w porównaniu z tradycyjnymi ogniwami elektrochemicznymi (EC). Na przykład pod koniec każdego 24-godzinnego eksperymentu OECT m...

Urządzenia, które mogą przekształcać i wzmacniać aktywność biologiczną i chemiczną w sygnały elektryczne, są kluczowe w różnych dziedzinach, takich jak sensoring1,2, obliczenia neuromorficzne3,4, oraz elektronika do noszenia5. Wśród nich organiczne tranzystory elektrochemiczne (OECT) okazały się wyjątkowymi interfejsami między systemami biologicznymi a odczytami elektronicznymi ze względu na ich kompatybilność ze środowiskiem wodnym i niskimi napięciami roboczymi6,7. OECT różnią się od konwencjonalnej elektroniki tym, że wykorzystują jony w elektrolicie do modulowania przewodnictwa kanału organicznego, który łączy transport jonowy i elektronowy w celu uzyskania wyjątkowej transkonduktancji8. Te cechy sprawiają, że OECT idealnie nadają się do łączenia systemów biologicznych z elektroniką, ponieważ mogą wzmacniać słabe sygnały biologiczne i przekształcać je w odczyty elektryczne.
OECT działają poprzez zmianę stanu domieszkowania mieszanego kanału przewodzącego jonowo-elektronowego poprzez dyfuzję jonową, zazwyczaj kontrolowaną przez przyłożenie napięcia do elektrody bramkowej. Jednak reakcje biologiczne lub redoks mogą również zmieniać przewodność kanału, umożliwiając OECT reagowanie na różne bodźce chemiczne i biologiczne. Funkcjonalizacja OECT za pomocą dwuwarstw lipidowych, kanałów jonowych lub biomolekuł pozwala im wykrywać określone anality, co czyni je przydatnymi w zastosowaniach czujnikowych9,10. Na przykład OECT zostały zintegrowane z enzymami aktywnymi redoks, takimi jak oksydaza glukozowa, aby bezpośrednio przenosić elektrony do kanału, dostrajając jego przewodność w odpowiedzi na stężenie glukozy11. Chociaż takie konfiguracje są skuteczne w biodetekcji, ich zdolność obliczeniowa jest ograniczona ze względu na stosunkowo proste zachowanie poszczególnych enzymów lub białek.
Natomiast żywe komórki, szczególnie bakterie, oferują wszechstronną platformę zdolną do wykonywania złożonych i solidnych obliczeń4,12,13,14,15. Bakterie elektroaktywne, takie jak Shewanella oneidensis i Geobacter sulfurreducens, mają unikalną zdolność przenoszenia elektronów przez błony komórkowe w procesie znanym jako zewnątrzkomórkowy transfer elektronów (EET). W warunkach beztlenowych bakterie te sprzężają swoje procesy metaboliczne z redukcją lub utlenianiem zewnętrznych akceptorów elektronów, w tym metali, tlenków metali i materiałów syntetycznych, takich jak polimery przewodzące16 i nanocząstki17 (Rysunek 1A). Zdolność ta została wykorzystana w mikrobiologicznych ogniwach paliwowych do wytwarzania energii i oferuje potencjał dla bardziej zaawansowanych zastosowań bioelektronicznych18,19. Ponadto postępy w biologii syntetycznej umożliwiły precyzyjną manipulację genetyczną bakteriami elektroaktywnymi w celu kontrolowania szlaków EET. Poprzez inżynierię obwodów genetycznych, które regulują ekspresję genów związanych z EET, naukowcy mogą modulować strumień elektronów w odpowiedzi na określone sygnały środowiskowe lub operacje logiki obliczeniowej20,21. Ta genetyczna kontrola nad EET otwiera drogę do tworzenia systemów biohybrydowych, w których obliczenia bakteryjne są bezpośrednio połączone z urządzeniami elektronicznymi, takimi jak OECT. Na przykład bakteryjne obwody genetyczne można zaprojektować tak, aby reagowały na kombinacje czynników chemicznych, włączając lub wyłączając szlaki EET, a tym samym modulując przewodnictwo kanału OECT. Pozwoliłoby to na bezpośrednie odczyty elektryczne obliczeń bakteryjnych, omijając potrzebę stosowania fluorescencyjnych lub innych tradycyjnych reporterów biologicznych.
Ostatnie osiągnięcia wykazały potencjał sprzężenia OECT z bakteriami elektroaktywnymi. Na przykład Méhes i in. wykorzystali S. oneidensis do monitorowania aktywności EET w czasie rzeczywistym za pomocą OECT typu p, ilustrując, w jaki sposób metabolizm bakterii może być śledzony elektrycznie22. Chociaż prace te podkreślają możliwość wykorzystania OECT do wykrywania aktywności bakterii, potencjał hybrydowego systemu do biodetekcji i biokomputerów pozostaje niedostatecznie zbadany. Aby rozwiązać ten problem, niedawno opracowaliśmy tranzystory hybrydowe zawierające genetycznie zmodyfikowany S. oneidensis do OECTs23. Wyniki wykazały, że kanał OECT może być dedominowany poprzez bakteryjne działania EET (Figura 1B). Aby jeszcze bardziej zwiększyć możliwości biodetekcji i uzyskać mechanistyczny wgląd w proces dedopingu, zaprojektowaliśmy szczepy S. oneidensis z obwodami genetycznymi, które regulują przepływ EET. Powoduje to przewidywalne zmiany wyjściowe OECT w odpowiedzi na sygnały środowiskowe, takie jak cząsteczki induktora. Co więcej, integrując logikę Boole'a z tymi obwodami genetycznymi, umożliwiliśmy bezpośrednie odczyty elektryczne złożonych obliczeń bakteryjnych.
Tutaj prezentujemy kompleksowy protokół działania tranzystora hybrydowego, obejmujący produkcję urządzenia, przygotowanie hodowli komórkowej, procedury pomiarowe i analizę danych. Ponadto zajmujemy się kluczowymi kwestiami, takimi jak czyszczenie urządzeń, możliwość ponownego użycia i potencjał automatyzacji w testach o wysokiej przepustowości.

<table><tbody><tr><td>Lakton 3-oksoheksanoilo-homoserynowy&nbsp;</td>Chlorowodorek anhydrotetracykliny <td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>Aminokwasy VWR</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td></td> Sprzęt <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr> VWR <tr><td>Glikol etylenowy&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td>bezwodny 99,8%,&nbsp;</td></tr><tr><td>Roztwór buforowy HEPES&nbsp;</td><td>VWR</td><td></td><td>1 M w wodzie, pH = 7,3</td></tr><tr><td>izopropylu &szlig;-D-1-tiogalaktopiranozyd&nbsp;</td>Siarczan kanamycyny <td>Teknova</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>Growcells</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Siarczan magnezu(II) siedmiowodny&nbsp;</td><td>VWR</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PEDOT:Zawiesina wodna PSS&nbsp;</td><td>Heraeus Epurio LLC</td><td>Clevios PH1000</td><td></td></tr><tr><td>Fosforan potasu dwuzasadowy&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fosforan potasu jednozasadowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Potentiostat&nbsp;</td><td>PalmSens BV</td><td>MultiPalmSens4</td><td></td></tr><tr><td>Kwarcowe szkiełka mikroskopowe&nbsp;</td><td>Wartość reklamy&nbsp;</td><td>FQ-S-003</td><td></td></tr><tr><td>Szkiełka kwarcowe mikroskopijne&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Chlorek sodu&nbsp;</td>DL-mleczan sodu <td>VWR</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>TCI</td><td></td><td>60% w wodzie</td></tr><tr><td>Fumaran sodu&nbsp;</td><td>VWR</td><td></td><td>98%</td></tr><tr><td>Kwas siarkowy&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td>95.0%-98.0%</td></tr><tr><td>Dwuskładnikowy elastomer silikonowy&nbsp;</td><td>Mikroskopia elektronowa Nauki</td><td>Sylgard184</td><td></td></tr><tr><td>Mieszanka minerałów śladowych Wolfego&nbsp;</td><td>Kontroler ATCC</td><td></td><td></td> (Kontroler T</tr></tbody></table>

translacja zewnątrzkomórkowych działań związanych z przenoszeniem elektronów za pomocą organicznych tranzystorów elektrochemicznych

Translating Extracellular Electron Transfer Activities with Organic Electrochemical Transistors

Zewnątrzkomórkowy transfer elektronów (EET) to proces, w którym pewne mikroorganizmy mogą przenosić elektrony przez swoje błony komórkowe do zewnętrznych akceptorów elektronów, łącząc metabolizm komórkowy z ich środowiskiem. Podczas gdy Geobacter i Shewanella były głównymi modelami w badaniach EET, nowe badania ujawniają, że gatunki aktywne EET są również związane z fermentacją i ludzkim mikrobiomem jelitowym. Wykorzystując zdolność EET do łączenia systemów biologicznych i elektronicznych, przedstawiamy protokół wykorzystania organicznych tranzystorów elektrochemicznych (OECT) do translacji aktywności EET drobnoustrojów na łatwo wykrywalne sygnały elektryczne. System ten umożliwia wykorzystanie odpowiedzi komórkowych na bodźce zewnętrzne do zastosowań biosensorycznych i biokomputerowych. W szczególności wykazaliśmy, że dedomieszkowanie kanału poli(3,4-etylenodioksytiofenu): poli(styrenosulfonianu) (PEDOT: PSS) typu p w OECT jest sterowane przez komórkowy EET z Shewanella oneidensis. Poprzez transkrypcyjne kontrolowanie strumienia EET za pomocą obwodów genetycznych, ustalamy zdolność tego hybrydowego systemu OECT do wykrywania bodźców chemicznych, takich jak cząsteczki induktora. Ponadto wprowadzamy do komórek logiczne bramki logiczne oparte na plazmidach, umożliwiając im przetwarzanie sygnałów środowiskowych i kierowanie bieżącymi zmianami w OECT, co dodatkowo demonstruje potencjał bioobliczeniowy tych urządzeń. Metoda ta zapewnia nowatorski interfejs między systemami biologicznymi i elektroniką, umożliwiając przyszłe wysokoprzepustowe badania przesiewowe, biodetekcję i bioinformatykę.

Dopasowana stała szybkości k 
Dopasowana stała szybkości k prądu kanału OECT IDS służy jako wiarygodny miernik oceny aktywności EET próbki. Chociaż stałe napięcia polaryzacji bramki wpływają na stałe szybkości, wybrano wartość 0.2 V, aby zapewnić dodatnią polaryzację stymulującą bakteryjny transfer elektronów, unikając jednocześnie szybkiego ododopowania przy wyższych napięciach bramki oraz minimalizując stres elektrochemiczny komórek bakteryjnych<sup class=...

Tutaj prezentujemy protokół użycia organicznych tranzystorów elektrochemicznych (OECT) do translacji aktywności zewnątrzkomórkowego transferu elektronów (EET) w Shewanella oneidensis na sygnały elektryczne. Hybrydowy system OECT zapewnia zwiększoną solidność, czułość i potencjał do szybkich, wysokowydajnych testów, co czyni go skutecznym narzędziem do pomiarów EET.

Translacja zewnątrzkomórkowych działań związanych z przenoszeniem elektronów za pomocą organicznych tranzystorów elektrochemicznych

Extracellular electron transfer (EET) is a process through which certain microorganisms can transfer electrons across their cell membranes to external ...

Nasze badania koncentrują się na rozwoju bioelektroniki, która integruje bakteryjny zewnątrzkomórkowy transfer elektronów lub EET w celu rozszerzenia zastosowań biosensorycznych i biokomputerowych. Szukamy odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób EET oddziałuje z materiałami elektronicznymi, jak regulować EET genetycznie w celu optymalizacji wydajności elektrycznej i czy w tych systemach elektrochemicznych, które zawierają żywe komórki, pojawiają się nowe nowe cechy. Postępy w badaniach nad bakteryjnymi komórkami HR lub transferem elektronów wykorzystują biologię syntetyczną do inżynierii ścieżek EET, system elektrochemiczny do monitorowania redoks, na przykład, i mikroskopię do aktywności komórek, prowadzenie mikroskopii sił atomowych i makroelektrody do analizy przepływu elektronów i zaawansowaną spektroskopię, taką jak UAV Raman do charakteryzacji interfejsu biologii materiałowej.Wykazaliśmy, że genetycznie modyfikowane badania nad chorobą mogą modulować wyniki OECT, umożliwiając biologicznie sterowane reakcje elektryczne. Wyniki obejmują zilustrowanie bezpośrednich i pośrednich szlaków EET wpływających na wydajność bioelektroniki, sprzężenie logiki genetycznej z wynikami elektrycznymi oraz dostrojenie plastyczności genetycznej za pomocą EET. W porównaniu z tradycyjną pracą OECT, żywe komórki oferują takie korzyści, jak dynamiczne, genetycznie programowalne sterowanie poprzez zewnątrzkomórkowy transfer elektronów i możliwość wykorzystania metabolizmu komórkowego do odpowiedzi w czasie rzeczywistym.W porównaniu z tradycyjnymi obwodami biologicznymi, które wykorzystują reportery fluorescencyjne, użytkownicy OECT zapewniają szybsze bezpośrednie wyniki elektryczne z wysoką czułością. Nasze przyszłe prace obejmują rozszerzanie obwodów genetycznych w celu napędzania EET oraz rozwój epigenetyki lub optogenetyki, aby umożliwić elektronice modulowanie ekspresji genów EET. Jesteśmy również zainteresowani tworzeniem pętli sterowania dla aplikacji takich jak trenowanie sieci neuronowych.Wreszcie, badamy różnorodne materiały kanałów OECT oraz włączenie mikrofluidyki i instytutowego wytwarzania tlenu w celu dalszej kontroli wydajności urządzeń. Aby rozpocząć autoklawowanie organicznego tranzystora elektrochemicznego lub szkiełek OECT, arkuszy polidimetylosiloksanu lub PDMS oraz elektrody referencyjnej ze srebra i chlorku srebra. Składniki autoklawu upiecz w temperaturze 80 stopni Celsjusza, aby je wysuszyć.Przenieś szkiełka OECT autoklawu i elektrodę referencyjną ze srebra i chlorku srebra do schowka na rękawiczki. Poddać arkusze PDMS działaniu próżni w antykomorze komory rękawicowej przez cztery godziny w celu desorpcji uwięzionego tlenu. Następnie, aby zmontować urządzenie OECT, umieść arkusze PDMS na szkiełkach OECT.Wstrzyknąć 45 mikrolitrów podłoża bazowego Shewanella lub SBM do każdej komory OECT. Przykryj porty komory OECT arkuszami PDMS, aby zapobiec parowaniu medium i zanieczyszczeniu. Rozpocznij początkowy pomiar elektrochemiczny OECT od pomiaru prądu kanału IDS dla kroku napięcia bramki od zera do 0,2 wolta.Monitoruj prąd odpływu kanału OECT lub IDS przy stałym napięciu źródła drenu kanału lub VDS minus 0,05 V i napięciu bramki VGS 0,2 V, aż prąd się ustabilizuje. Skonfiguruj pierwszy kanał instrumentu, aby mierzyć prąd IDS kanału OECT. Ustaw nazwę techniki na Szybka amperometria, czas równowagi na jedną sekundę, napięcie równowagi na minus 0,05 wolta, napięcie polaryzacji na minus 0,05 wolta, czas pracy na 14 sekund i interwał próbkowania na 0,5 milisekundy.Następnie skonfiguruj drugi kanał instrumentu, aby sterować napięciem bramki VGS. Ustaw nazwę techniki na Tryb mieszany, czas warunku na jedną sekundę, napięcie warunku na zero woltów, tryb pierwszego stopnia na stałą E, napięcie polaryzacji pierwszego stopnia na zero woltów. Etap jednego czasu pracy do czterech sekund.Stopień drugi tryb do stałej E, stopień drugi napięcie polaryzacji do 0,2 V. Czas wykonywania drugiego etapu wynosi 10 sekund, a interwał próbkowania wynosi 0,5 milisekundy. Do wszystkich urządzeń OECT należy zastosować stałe napięcie kanału VDS wynoszące minus 0,05 V i napięcie bramki VGS wynoszące 0,2 V.Odwirować zawiesinę Shewanella oneidensis o sile 1500 3G przez cztery minuty i trzykrotnie przemyć osad komórkowy jednym mililitrem świeżej pożywki wzrostowej. Po ostatnim płukaniu ponownie zawiesić komórki w 0,5 mililitra lub połowie pierwotnej objętości hodowli, aby uzyskać skoncentrowaną zawiesinę komórek o gęstości optycznej 600 od jednego do 3,5. Przenieść skoncentrowaną zawiesinę komórek do schowka na rękawiczki.Przygotować inokulum, rozcieńczając komórki do zamierzonej gęstości optycznej 0,1, używając SBM+ uzupełnionego mleczanem przygotowanym świeżo w komorze rękawicowej z oczyszczonymi pożywkami. Zatrzymaj potencjostat. Wstrzyknąć pięć mikrolitrów przygotowanego inokulum do komory OECT zawierającej 45 mikrolitrów SBM, aby uzyskać końcową absorbancję 0,01.Przykryj porty komory OECT arkuszami PDMS, aby uniknąć parowania medium i zanieczyszczenia. W przypadku kultur beztlenowych należy rozcieńczyć kulturę komórkową Shewanelli dziesięciokrotnie, używając pożywki rozcieńczającej o takiej samej budowie jak pożywka wzrostowa. Po odstawieniu potencjostatu wstrzyknąć pięć mikrolitrów inokulum beztlenowego do komory OECT, zawierającej 45 mikrolitrów pożywki SBM.Zakryj porty komory OECT arkuszami PDMS. Zastosuj stałe napięcia polaryzacji do kanałów OECT o napięciu kanału VDS minus 0,05 V i napięciu bramki VGS 0,2 V przez 24 godziny. Odłącz statystykę potencjału od poszczególnych urządzeń OECT tylko podczas pomiarów punktu czasowego w celu charakteryzacji.Monitoruj znaczące zmiany w stanie dopingu kanału OECT w ciągu pierwszych ośmiu godzin. Po 24 godzinach włóż srebrną elektrodę referencyjną z chlorkiem srebra do komory OECT, delikatnie przekręcając i przepychając ją przez port wymiany płynu. Zmierz krzywe przenoszenia OECT, przesuwając napięcie bramki od minus 0,1 V do 0,6 V, jednocześnie monitorując prąd kanału IDS ze stałym napięciem polaryzacji VDS wynoszącym minus 0,05 V.Jednocześnie zmierz dokładne potencjały elektrody bramki i źródła w stosunku do elektrody odniesienia. Skonfiguruj pierwszy kanał instrumentu, aby mierzyć prąd IDS kanału OECT za pomocą techniki chronoamperometrii. Ustaw czas równowagi na pięć sekund, napięcie równowagi na minus 0,05 wolta, napięcie polaryzacji na minus 0,05 wolta, czas pracy na 35 sekund i interwał próbkowania na 0,09915 sekundy.Następnie skonfiguruj drugi kanał instrumentu, aby sterować napięciem bramki OECT VGS za pomocą woltamperometrii liniowej. Ustaw czas równowagi na pięć sekund, napięcie równowagi na minus 0,1 wolta. Rozpocznij napięcie do minus 0,1 wolta.Napięcie końcowe do 0,6 wolta. Napięcie wzrasta do 0,002 V, a szybkość skanowania do 0,02 V na sekundę. Skonfiguruj trzeci kanał przyrządu, aby zmierzyć potencjał źródła OECT VS w stosunku do elektrody referencyjnej ze srebra i chlorku srebra za pomocą potencjometrii obwodu otwartego.Ustaw czas wykonywania na 40 sekund, a interwał próbkowania na 0,09915 sekundy. Skonfiguruj czwarty kanał instrumentu, aby zmierzyć potencjał bramki OECT VG w stosunku do elektrody odniesienia za pomocą potencjometrii obwodu otwartego. Ustaw czas wykonywania na 40 sekund, a interwał próbkowania na 0,09915 sekundy.Po każdym pomiarze spłucz elektrodę odniesienia 70% etanolem i wytrzyj ją nowym ręcznikiem o niskiej zawartości strzępiących się elementów. Dopasowane stałe szybkości aktywności przenoszenia elektronów wykazały znaczące różnice między szczepami, przy czym mutanty Delta MtrC i Delta MTR wykazywały zmniejszone stałe w porównaniu z dzikim typem S.oneidensis MR-1. Uzupełnienie mutantów MtrC lub MTRC AB przywróciło wskaźniki do poziomów typu dzikiego w warunkach induktora.Prąd kanału OECT wykazał szybkie wykrywanie aktywności przenoszenia elektronów za pomocą prądu źródła drenu i znormalizowanego prądu źródła drenu, wykazując statystycznie istotne różnice między szczepami w ciągu 1,5 godziny po inokulacji. Abiotyczne grupy kontrolne i nieindukowane mutanty wykazywały minimalne zmiany, wzmacniając czułość systemu hybrydowego.

translating-extracellular-electron-transfer-activities-with-organic

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Organiczny tranzystor elektrochemiczny jest zintegrowany z żywymi komórkami i służy do monitorowania przepływu jonów przez barierę nabłonkową przewodu pokarmowego. W tym badaniu mierzony jest wzrost strumienia jonów, związany z rozerwaniem połączeń ścisłych, wywołany obecnością chelatora wapnia EGTA (glikol etylenowy-bis(beta-aminoetylowy eter)-N,N,N',N'-tetraoctowy kwas).

Wykrywanie przerwania tkanki barierowej za pomocą organicznego tranzystora elektrochemicznego

Przedstawiono protokół pomiaru przewodnictwa elektrycznego żywych biofilmów mikrobiologicznych w fizjologicznie istotnych warunkach.

Charakterystyka transportu elektronów przez żywe biofilmy

Celem tego protokołu jest spektrofotometryczne monitorowanie transportu elektronów przez błonę transplazmatyczną za pomocą zewnątrzkomórkowych akceptorów elektronów i analiza oddziaływań enzymatycznych, które mogą wystąpić z tymi zewnątrzkomórkowymi akceptorami elektronów.

Pomiar transportu elektronów w błonie transplazmatycznej przez miorurki C2C12

Tutaj prezentujemy protokół eksperymentów elektrochemicznych na całych komórkach, aby zbadać wpływ transportu protonów na szybkość pozakomórkowego transportu elektronów przez kompleks cytochromów błony zewnętrznej w Shewanella oneidensis MR-1.

Elektrochemiczne wykrywanie wpływu kinetycznego izotopu deuteru na zewnątrzkomórkowy transport elektronów w Shewanella oneidensis MR-1

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania urządzenia opartego na tranzystorze polowym z modulacją ładunku organicznego (OCMFET) do łączenia komórkowego in vitro. Urządzenie, zwane macierzą micro OCMFET, jest elastycznym, tanim i niereferencyjnym urządzeniem, które umożliwi monitorowanie aktywności elektrycznej i metabolicznej elektroaktywnych kultur komórkowych.

In vitro Wieloparametryczna analiza komórkowa za pomocą mikroorganicznych matryc tranzystorów polowych z modulacją ładunku

Tutaj prezentujemy protokół charakteryzujący pozakomórkowy transfer elektronów za pośrednictwem (EET) u bakterii kwasu mlekowego za pomocą trzyelektrodowego, dwukomorowego systemu bioelektrochemicznego. Ilustrujemy tę metodę za pomocą Lactiplantibacillus plantarum i mediatora redoks kwasu 1,4-dihydroksy-2-naftoesowego i podajemy dokładny opis technik elektrochemicznych stosowanych do oceny EET, w którym pośredniczy.

Charakterystyka pośredniczonego zewnątrzkomórkowego transferu elektronów u bakterii kwasu mlekowego za pomocą trójelektrodowego, dwukomorowego układu bioelektrochemicznego

Opisano podstawowy protokół wytwarzania organicznych tranzystorów elektrochemicznych o wysokiej transkonduktancji melaniny/PEDOT:PSS (OECT) z użyciem powłoki natryskowej. Metoda ta umożliwia precyzyjną kontrolę nad nanoseniem warstw, grubością i morfologią filmu, zapewniając powtarzalne urządzenia do zrównoważonych i skalowalnych zastosowań bioelektronicznych.

Powłoki melaninowe/PEDOT:PSS powlekane natryskiem do zrównoważonych organicznych tranzystorów elektrochemicznych

Czujniki „e-DNA”, czyli bezodczynnikowe biosensory elektrochemiczne, które wykazują wysoką skuteczność nawet podczas bezpośredniej analizy krwi i innych złożonych matryc, zostały zaadaptowane do wykrywania szerokiego zakresu analitów w postaci kwasów nukleinowych, białek i małych cząsteczek. W niniejszej pracy przedstawiamy ogólną procedurę wytwarzania i stosowania takich czujników.

Wytwarzanie elektrochemicznych biosensorów DNA do bezodczynnikowej detekcji kwasów nukleinowych, białek i małych cząsteczek

Niniejszy artykuł szczegółowo opisuje konstrukcję multipleksowego czujnika opartego na mikroiigłach. Urządzenie to jest opracowywane w celu prowadzenia pobierania próbek in situ oraz analizy elektrochemicznej wielu analitów w sposób szybki i selektywny. Przewidujemy zastosowanie tych czujników opartych na mikroigłach w medycynie klinicznej oraz badaniach biomedycznych.

Czujnik oparty na pustych mikroiğłach do multipleksowego transdermalanego detekcji elektrochemicznej

Opisujemy metodę testową z wykorzystaniem czujnika elektrochemicznego do szybkiego wykrywania i identyfikacji bakterii. Badanie wykorzystuje macierz czujników z funkcjonalizowanymi sondami wychwytującymi w postaci oligonukleotydów DNA dla sekwencji specyficznych dla gatunku rybosomalnego RNA (rRNA). Hybrydyzacja typu kanapkowego docelowego rRNA z sondą wychwytującą oraz sondą detekcyjną w postaci oligonukleotydu DNA sprzężonego z peroksydazą chrzanową generuje mierzalny prąd amperometryczny.

Wykrywanie i identyfikacja bakterii z wykorzystaniem czujników elektrochemicznych

Poznaj metodę translacji zewnątrzkomórkowego przenoszenia elektronów w bakterii Shewanella oneidensis za pomocą organicznych tranzystorów elektrochemicznych. Technika ta umożliwia szybkie i wysokoprzepustowe pomiary aktywności EET.

Translacja zewnątrzkomórkowych działań związanych z przenoszeniem elektronów za pomocą organicznych tranzystorów elektrochemicznych (Wideo) | JoVE Journal

Translacja zewnątrzkomórkowych działań związanych z przenoszeniem elektronów za pomocą organicznych tranzystorów elektrochemicznych

Przeglądaj więcej filmów