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Bioengineering

असेंबली और आयन चैनल से मिलकर biomolecular memristors के लक्षण वर्णन-doped लिपिड झिल्ली

Published: March 9, 2019 doi: 10.3791/58998
Automatic Translation
1,2, 2,3, 4, 5, 5, 5, 6, 7, 2, 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

Summary

शीतल, कम शक्ति, biomolecular memristors समान संरचना, संरचना का लाभ उठाने, और जैव synapses के तंत्र स्विचन । यहां प्रस्तुत एक प्रोटोकॉल को इकट्ठा करने और तेल में पानी की बूंदों के बीच गठित लिपिड bilayers इन्सुलेट से प्राप्त biomolecular memristors की विशेषता है । वोल्टेज की निगमन-सक्रिय alamethicin पेप्टाइड्स झिल्ली के पार memristive आयनिक चालकता में परिणाम.

Abstract

सिंथेटिक सर्किट तत्वों में synaptic कार्यक्षमताओं विश्राम करने की क्षमता neuromorphic कंप्यूटिंग प्रणालियों है कि तुलनीय दक्षता और घनत्व के साथ मस्तिष्क की संज्ञानात्मक शक्तियों का अनुकरण करने की तलाश के लिए आवश्यक है. तारीख करने के लिए, सिलिकॉन आधारित तीन टर्मिनल ट्रांजिस्टर और दो टर्मिनल memristors व्यापक रूप से neuromorphic सर्किट में इस्तेमाल किया गया है, बड़े हिस्से में सूचना प्रसंस्करण और स्मृति को सह करने की क्षमता के कारण. अभी तक इन उपकरणों के interconnectivity और मस्तिष्क की जटिलता प्राप्त नहीं कर सकते क्योंकि वे बिजली की भूख है, कुंजी synaptic कार्यक्षमताओं की नकल करने में विफल, और उच्च शोर और उच्च स्विचन voltages से पीड़ित. इन सीमाओं पर काबू पाने के लिए, हम विकसित और एक जैव अणु memristor कि संरचना, संरचना, और जैविक synapses के स्विचन विशेषताओं mimics की विशेषता है । यहां, हम कोडांतरण की प्रक्रिया का वर्णन और एक 5 एनएम-मोटी लिपिड तेल में लिपिड-functionalized पानी की बूंदों और वोल्टेज के साथ-सक्रिय alamethicin पेप्टाइड्स के साथ मैगनीज के बीच का गठन बिलेयर से मिलकर biomolecular memristors की विशेषता है । जबकि इसी तरह के विधानसभा प्रोटोकॉल छोटी बूंद के biophysical गुण-लिपिड झिल्ली और झिल्ली बाध्य आयन चैनलों की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया गया है, इस लेख के लिए आवश्यक छोटी बूंद इंटरफेस बिलयर विधि के प्रमुख संशोधनों पर केंद्रित है सुसंगत memristor प्रदर्शन को प्राप्त करने । विशेष रूप से, हम liposome तैयारी की प्रक्रिया का वर्णन और लिपिड bilayer झिल्ली में alamethicin पेप्टाइड्स के निगमन, और प्रत्येक घटक के उपयुक्त सांद्रता के रूप में अच्छी तरह से memristors की समग्र प्रतिक्रिया पर उनके प्रभाव के रूप में. हम भी विस्तार की प्रक्रिया के लक्षण वर्णन biomolecular memristors सहित मापन और विश्लेषण के memristors वर्तमान-वोल्टेज के माध्यम से प्राप्त संबंधों चक्रीय वोल्टमिति, के रूप में के रूप में अच्छी तरह से अल्पकालिक plasticity और सीखने के जवाब में कदम-वार वोल्टेज पल्स गाड़ियों.

Introduction

यह व्यापक रूप से मांयता प्राप्त है कि जैविक synapses उच्च दक्षता और उनके जानने के लिए और अत्यधिक अनुकूली तरीके में जानकारी की प्रक्रिया की क्षमता के कारण मस्तिष्क के भारी समानता के लिए जिंमेदार हैं । यह समंवित कार्यशीलता एकाधिक, अत्यधिक जटिल आणविक तंत्र है कि दोनों अल्पकालिक और लंबी अवधि के synaptic plasticity1,2,3,4,5ड्राइव से उभर । neuromorphic कंप्यूटिंग सिस्टम मस्तिष्क की अगली पीढ़ी के लिए आवश्यक हैं जो घनत्व, जटिलता, और मस्तिष्क की ऊर्जा दक्षता आ स्तरों पर synaptic कार्यक्षमताओं का अनुकरण करने का लक्ष्य है, जैसे कंप्यूटर6,7 , 8. हालांकि, पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक सर्किट तत्वों का उपयोग कर synaptic सुविधाओं reproducing वस्तुतः असंभव है9, इसके बजाय डिजाइन और नए हार्डवेयर तत्वों है कि आने वाले संकेतों को अनुकूलित कर सकते हैं के निर्माण की आवश्यकता होती है और याद सूचना का इतिहास9. synapse-प्रेरित हार्डवेयर के इन प्रकार के रूप में जाना जाता है mem-तत्वों9,10,11 (स्मृति तत्वों के लिए कम), जो, Di ventra एट अल.9,11के अनुसार, निष्क्रिय कर रहे हैं, दो टर्मिनल उपकरणों जिसका प्रतिरोध, समाई, या प्रेरकत्व बाहरी उत्तेजकता के जवाब में पुनः संरूपित होता किया जा सकता है, और जो पहले राज्यों11याद कर सकते हैं । मस्तिष्क में उन लोगों को ऊर्जा की खपत के स्तर को प्राप्त करने के लिए, इन तत्वों समान सामग्री और synaptic plasticity12के लिए तंत्र को रोजगार चाहिए ।

तारीख करने के लिए, दो टर्मिनल memristors13,14,15 मुख्य रूप से पूरक धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर (CMOS) प्रौद्योगिकी, उच्च स्विचन voltages और उच्च शोर की विशेषता का उपयोग कर बनाया गया है । उच्च बिजली की खपत और कम घनत्व के कारण यह तकनीक अच्छी तरह से स्केल नहीं करती है । इन सीमाओं का पता करने के लिए, कई कार्बनिक और पॉलिमेरिक memristors हाल ही में बनाया गया है । हालांकि, इन उपकरणों काफी धीमी स्विचन गतिशीलता एक प्रवाहकीय बहुलक मैट्रिक्स16,17के माध्यम से समय लेने वाली आयन प्रसार के कारण प्रदर्शन. एक परिणाम के रूप में, तंत्र है जिसके द्वारा दोनों CMOS-आधारित और कार्बनिक memristive उपकरणों synapse प्रेरित कार्यक्षमताओं का अनुकरण कर रहे है अत्यधिक परिघटनात्मक, केवल कुछ synapse कार्यक्षमताओं जैसे स्पाइक समय निर्भर plasticity के रूप में शामिल (एसटीडीपी) 18, जबकि अंय प्रमुख विशेषताओं है कि यह भी मस्तिष्क एक शक्तिशाली और कुशल कंप्यूटर, जैसे पूर्व synaptic, अल्पकालिक plasticity19बनाने में आवश्यक भूमिका निभाते अनदेखी ।

हाल ही में, हम memristive उपकरणों की एक नई कक्षा12 की विशेषता है कि बायोमेटीक संरचना, झिल्ली संरचना mimics कि जैव अणु लिपिड झिल्ली में शामिल किया गया वोल्टेज सक्रिय पेप्टाइड्स, और आयन चैनल स्विचन ट्रिगर जैविक synapses के तंत्र20.  यहां, हम वर्णन कैसे इकट्ठा करने के लिए और विद्युत इन दो टर्मिनल उपकरणों, कैसे ऑनलाइन सीखने के आवेदन12में कार्यांवयन के लिए अल्पकालिक plasticity मूल्यांकन पर विशेष ध्यान देने के साथ पूछताछ । डिवाइस असेंबली छोटी बूंद इंटरफेस bilayer (डीआईबी)21 विधि, जो हाल के वर्षों में बड़े पैमाने पर इस्तेमाल किया गया है मॉडल झिल्ली21 और झिल्ली से बंधे आयन चैनलों की बायोफिज़िक्स अध्ययन पर आधारित है22,23, 24, और उत्तेजनी उत्तरदायी सामग्री के विकास के लिए इमारत ब्लॉकों के रूप में25,26. हम neuromorphic अनुप्रयोगों में रुचि रखने वालों के लिए विस्तार से झिल्ली विधानसभा और पूछताछ प्रक्रिया का वर्णन है, लेकिन बायोमेटेरियल्स या झिल्ली जीव विज्ञान में सीमित अनुभव है. प्रोटोकॉल भी लक्षण वर्णन प्रक्रिया है, जो विधानसभा की प्रक्रिया के रूप में के रूप में महत्वपूर्ण है की एक पूर्ण विवरण शामिल है, गतिशील और reconfigurable उपकरण27के बिजली के गुणों को देखते हुए । प्रक्रिया और प्रतिनिधि यहां वर्णित परिणाम कम लागत, कम बिजली, नरम मेम-लिपिड इंटरफेस और neuromorphic कंप्यूटिंग, स्वायत्त संरचनाओं और प्रणालियों में अनुप्रयोगों के लिए अन्य जैव अणुओं पर आधारित तत्वों के एक नए वर्ग के लिए नींव हैं, और यहां तक कि अनुकूली मस्तिष्क-कंप्यूटर इंटरफेस ।

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Protocol

1. सामान्य निर्देश और सावधानियाँ

  1. उपयोग के लिए उपयुक्त, अक्षतिग्रस्त मापने/मिश्रण कांच के बर्तन (बोतल, यूरिन, आदि) और अन्य लैबवेयर (स्पैतुलास, scoops, आदि) का चयन करें ।
  2. हानिकारक से बचने के लिए ध्यान से कांच के बर्तनों को संभाल, और उंगलियों से अवशेषों के साथ कांच के बर्तन/labware contaminating से बचने के लिए और अपनी त्वचा की रक्षा करने के लिए लेटेक्स या nitrile दस्ताने पहनते हैं ।
  3. साफ चुना कांच के बर्तन/labware अच्छी तरह से साफ और सभी अवशेषों को हटा रहे है जब तक एक नरम बोतल ब्रश के साथ स्क्रबिंग द्वारा डिटर्जेंट समाधान और पानी का उपयोग ।
  4. पानी के नल के साथ अच्छी तरह कुल्ला और फिर विआयनीकृत (डि) पानी के साथ । सुखाने रैक पर जगह सूखी हवा ।
  5. वैकल्पिक: isopropyl (IPA, ९९.५%) के साथ स्वच्छ कांच के रखे हुए बर्तन कुल्ला/ और वैक्यूम के तहत जगह सभी अवशिष्ट आइपीएस लुप्त हो जाना सुनिश्चित करने के लिए वे किसी भी contaminants (~ 2 ज) से मुक्त कर रहे हैं । स्वच्छ वातावरण में वैक्यूम चैंबर और जगह से निकालें ।
    नोट: कांच के बर्तन और labware पोंछते के लिए lint-मुक्त पोंछे का उपयोग करें । खरीद और सामग्री तैयार करने और नमूना भंडारण के लिए बाँझ छोटे गिलास की एक और सुरक्षित ताला ट्यूबों का उपयोग करें । कांच के बर्तनों की सफाई और अन्य प्रयोगशाला मानक संचालन प्रक्रियाओं पर अधिक जानकारी के लिए, जोवे विज्ञान शिक्षा डाटाबेस28देखें ।

2. जलीय बफर समाधान की तैयारी

  1. लेटेक्स या नाइट्राइल दस्ताने पहने हुए, एक उपयुक्त और साफ कांच कंटेनर का चयन करने के लिए तैयार करने के लिए ५० एमएल जलीय बफर (५०० मिमी सोडियम क्लोराइड (kcl), 10 मिमी 3-(एन-morpholino) propanesulfonic एसिड (mops), पीएच ७.०) ।
  2. एक डिजिटल, उच्च परिशुद्धता द्रव्यमान संतुलन और एक साफ spatula का उपयोग करना, kcl के १.८६३७८ जी साफ वजन कागज पर वितरण और फिर कांच कंटेनर में जोड़ें ।
    नोट: kcl और mops की मात्रा वांछित मात्रा और वांछित अंतिम सांद्रता के आधार पर भिंन होना चाहिए ।
  3. वजन ०.१०४६३ जी mops और कांच कंटेनर के लिए जोड़ें । फिर, kcl और mops पूरी तरह से भंग कर रहे हैं जब तक अच्छी तरह से कांच कंटेनर और भंवर करने के लिए डि पानी की ५० मिलीलीटर जोड़ें ।
  4. कमरे के तापमान पर बफर समाधान की दुकान और जब जरूरत का उपयोग करें ।
    नोट: जबकि बफर समाधान समय की अपेक्षाकृत लंबी अवधि के लिए संग्रहीत किया जा सकता है, यह बेहतर और अधिक सुसंगत परिणामों के लिए हौसले से तैयार बफर समाधान का उपयोग करने के लिए सिफारिश की है ।

3. लिपोसोम की तैयारी

नोट: चरण ३.१ केवल यदि फॉस्फोलीपिड्स lyophilized पाउडर के रूप में प्राप्त कर रहे हैं लागू होता है, और इसलिए, यदि फॉस्फोलाइपिड्स क्लोरोफॉर्म में खरीदे जाते हैं तो छोड़ दिया जा सकता है ।

  1. भंग 5 मिलीग्राम 1, 2-diphytanoyl-sn-ग्लिसरीन-3-phosphocholine (dphpc) या मस्तिष्क कुल लिपिड अर्क (btle) एक 5 मिलीलीटर बाँझ कांच की शीशी में क्लोरोफॉर्म के 1 मिलीलीटर में लिपिड्स ।
  2. जब धीरे से घूमता है, सूखी नाइट्रोजन की एक सौंय धारा के तहत क्लोरोफॉर्म लुप्त हो जाना जब तक एक लिपिड फिल्म शीशी के नीचे रहता है ।
  3. 10-12 ज के लिए वैक्यूम के तहत लिपिड फिल्म युक्त शीशी को अवशिष्ट क्लोरोफॉर्म को पूरा हटाने के लिए अनुमति दें ।
  4. वैक्यूम चैंबर से शीशी निकालें और 2 मिलीग्राम/एमएल की एक अंतिम लिपिड एकाग्रता प्राप्त करने के लिए चरण 2 में तैयार जलीय बफर समाधान के 10 मिलीलीटर जोड़कर लिपिड फिल्म को पुनर्हाइड्रेट करें ।
  5. फ्रीज (-20 डिग्रीसेल्सियस) और पूरी तरह से लिपिड निलंबन के लिए छह बार multilamellar liposome विधानसभा की सुविधा ।
    ध्यान दें: कमरे के तापमान पर मिश्रण गल जाने दें, कभी गर्म वातावरण में ।
  6. एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध extruder का प्रयोग, एक ०.१ μm ताकना व्यास ट्रैक etched झिल्ली के माध्यम से पूर्ण लिपिड निलंबन मजबूर द्वारा liposome समाधान extruder । निलंबन को तत्काल उत्तराधिकार में 11 बार extrude c.a. १०० एनएम के व्यास के साथ unilamellar लिपोसोम प्राप्त करने के लिए उचित लिपिड मोनोलेयर गठन के लिए आवश्यक है । 4 डिग्रीसेल्सियस पर liposome निलंबन की दुकान और तैयारी के 1 सप्ताह के भीतर का उपयोग करें । सादगी के लिए, "एक" के रूप में परिणामी liposome समाधान का संदर्भ लें ।
    नोट: btle लिपोसोम के बाहर निकालना के लिए, शोधकर्ता के लिए extruder गर्म करने के लिए प्रोत्साहित किया जाता है 45-50 डिग्रीसेल्सियस, btle लिपिड के चरण संक्रमण तापमान से अधिक (~ ३७ डिग्रीसेल्सियस)23,29, आसान बाहर निकालना सक्षम करने के लिए. हाइड्रेटेड बीटल liposome निलंबन भी सीधे तैयार किया जा सकता है (फ्रीज-गल और बाहर निकालना के स्थान पर) में एक स्नान sonicator में बंद निलंबन शीशी रखकर ~ 15 मिनट के लिए ५५ डिग्रीसेल्सियस पर ।

4. अल्मेथिकिन पेप्टाइड्स का पुनर्गठन

नोट: यह प्रक्रिया liposomes में अल्मेथिकिन पुनर्गठन की प्रक्रिया को 1 μm की अंतिम सांद्रता का वर्णन करती है । इस एकाग्रता के लिए ना-स्तर धाराओं पहले12प्रकाशित उन के समान प्रेरित करने के लिए पर्याप्त है । पेप्टाइड एकाग्रता में वृद्धि स्विचन सीमा को कम करने और लागू वोल्टेज द्वारा प्रेरित धाराओं के आयाम में वृद्धि होगी29.

  1. २.५ मिलीग्राम/एमएल, भंवर संक्षेप में अच्छी तरह से मिश्रण है, और फ्रीजर (-20 डिग्रीसेल्सियस) में स्टॉक समाधान की दुकान के अंतिम एकाग्रता के लिए इथेनॉल में alamethicin पेप्टाइड्स भंग ।
    नोट: अल्मेथिकिन पेप्टाइड्स आमतौर पर पाउडर के रूप में खरीदे जाते हैं ।
  2. एक १.५ मिलीलीटर सुरक्षित-लॉक ट्यूब में, मिश्रण ९९ μl समाधान "ए" के साथ 1 μl alamethicin स्टॉक समाधान के लिए एक अंतिम अल्मेथिसिन एकाग्रता प्राप्त करने के लिए 13 μm के liposome निलंबन ।  भंवर अच्छी तरह से मिश्रण करने के लिए । "बी" के रूप में परिणामी पेप्टाइड-liposome समाधान का संदर्भ लें ।
  3. मिश्रण ११७ μl का समाधान "a" के साथ 10 μl of समाधान B को प्राप्त करने के लिए एक अंतिम alamethicin एकाग्रता 1 मिमी, और फिर भंवर अच्छी तरह से मिश्रण करने के लिए. परिणामी समाधान को "C" के रूप में देखें ।
  4. समाधान "बी" और "सी" 4 डिग्रीसेल्सियस पर स्टोर और जरूरत के रूप में उपयोग करें ।

5. agarose जेल की तैयारी

  1. एक डिजिटल, उच्च परिशुद्धता जन संतुलन और एक साफ spatula का उपयोग करना, एक साफ वजन कागज को agarose पाउडर के ०.५ जी जोड़ें ।
  2. स्थानांतरण एक १००-मिलीलीटर साफ गिलास बीकर के लिए agarose तौला और agarose को DI पानी की ५० मिलीलीटर जोड़ें ।
    नोट: यह एक 1% (wt/vol) agarose जेल समाधान निकलेगा ।
  3. कांच बीकर के अंदर एक साफ सरगर्मी चुंबक प्लेस और एक सरगर्मी गर्म थाली पर बीकर जगह है ।
  4. सरगर्मी करते हुए, मिश्रण को एक उबाल तक लाएं जब तक कि एगरोस पूरी तरह से घुल न जाए ।
  5. गर्म थाली से बीकर निकालें मिश्रण कमरे के तापमान को शांत करते हैं । 4 डिग्रीसेल्सियस पर स्टोर और जब जरूरत का उपयोग करें ।
  6. फिर से उपयोग करने से पहले, फिर से एक गर्म थाली या माइक्रोवेव के साथ हीटिंग द्वारा agarose पिघल ।

6. तेल जलाशय का निर्माण

नोट: प्रक्रिया के नीचे वर्णित सिर्फ एक तेल जलाशय गढ़े जा सकता है कि कई मायनों में से एक है । पाठक डिजाइन और एक जलाशय उपलब्ध सामग्री, मशीनिंग क्षमताओं, और विशिष्ट जरूरतों के आधार पर बनाना प्रोत्साहित किया जाता है ।

  1. एक बैंड का उपयोग कर देखा, एक बड़ा 12 मिमी मोटी एक्रिलिक चादर से 12 x 12 x 12 मिमी ऐक्रेलिक घन में कटौती ।
  2. एक्रिलिक ट्यूब (चित्रा 1a) में 8-12 मिमी की एक गहराई के लिए एक 12 मिमी व्यास छेद मिल ।

7. इलेक्ट्रोड की तैयारी

  1. कैंची का प्रयोग, चांदी के तारों (१२५ μm-व्यास) के दो टुकड़े (७५ मिमी) में कटौती ।
  2. एक खुली लौ लाइटर का उपयोग करना, प्रत्येक चांदी के तार के एक छोर पिघल छोटे गोलाकार गेंदों (व्यास में लगभग २५० μm) के रूप में ।
  3. 1-2 एच के लिए ब्लीच में गेंद समाप्त होता है एक चांदी चांदी क्लोराइड बनाने के लिए विसर्जित (एजी/ एक गहरा धूसर रंग इंगित करता है कि Ag/agcl कोटिंग (चित्र 2a) का गठन किया है ।
  4. ब्लीच से दोनों तारों को निकालें, अच्छी तरह से डि पानी के साथ कुल्ला और एक साफ lint मुक्त पोंछ पर एक तरफ जगह है ।
  5. डुबकी गेंद पिघला हुआ agarose जेल में समाप्त होता है एक पतली परत बनाने के लिए । इस जेल कोटिंग के लिए तेल के नीचे तारों पर जलीय बूंदों लंगर में मदद करता है ।
  6. एक गिलास कटर का उपयोग कर, एक 10 सेमी लंबे, 1/0.58 आयुध डिपो की दो 5 सेमी केशिकाओं में बोरोसिलिकेट कांच केशिका विभाजित ।
  7. एक इलेक्ट्रोड धारक में कांच केशिकाओं में से एक डालें (चित्रा 2b, सी), और फिर कांच केशिका (चित्रा 2d) में एजी/agcl तार में से एक फ़ीड । दूसरे कांच केशिका में अन्य एजी/एगसीएल वायर को फीड कर दें ।
  8. एक गिलास माइक्रोपिपेट धारक (चित्रा 2e, एफ) के लिए दूसरा गिलास केशिका माउंट ।

8. प्रयोग की स्थापना

  1. एक औंधा खुर्दबीन (चित्र 1a) के मंच पर एक 1 मिमी मोटी, 25 x ७५ मिमी ग्लास स्लाइड रखें ।
  2. कांच स्लाइड के केंद्र पर hexadecane तेल की कुछ बूंदें बांटना, और फिर गिलास स्लाइड पर तेल पर सीधे तेल जलाशय जगह है ।
    नोट: कांच स्लाइड और तेल जलाशय के बीच तेल जोड़ना सब्सट्रेट के अपवर्तनांक से मिलान करने के लिए स्पष्ट और तेज छवियां प्रदान करने के लिए प्रयोग किया जाता है ।
  3. पूरी तरह से hexadecane तेल के साथ तेल जलाशय भरें । सुनिश्चित करें कि जलाशय उद्देश्य लेंस के ऊपर तैनात है ।
    नोट: अन्य हाइड्रोफोबिक तेलों के रूप में अच्छी तरह से इस्तेमाल किया जा सकता है ।
  4. इलेक्ट्रोड होल्डर को वर्तमान एम्पलीफायर के हेडस्टेज से कनेक्ट करें । हेडस्टेज को इलेक्ट्रोड लंबाई और बिजली के शोर को कम करने के लिए एक माइक्रो-निप्लेटर (चित्रा 1a) पर रखा जाना चाहिए ।
  5. एक और माइक्रोनिप्लेटर (चित्रा 1a) पर दूसरे एजी/agcl तार के साथ कांच micropipette धारक माउंट ।
  6. manipulators का उपयोग करना, इलेक्ट्रोड की स्थिति ऐसी है कि एजी/agcl तारों के agarose लेपित सुझावों को पूरी तरह से एक समान ऊर्ध्वाधर विमान में तेल जलाशय में जलमग्न हैं ।
  7. दो इलेक्ट्रोड संरेखित करें और उन्हें कुछ मिलीमीटर से अलग (चित्रा 1a, बी).
    नोट: बूंदों ( चरण 13में वर्णित) जोड़ने के बाद, इलेक्ट्रोड सुझावों तेल जलाशय के नीचे छू रहे हैं जब तक तारों सभी तरह से नीचे लाया जाना चाहिए. यह कदम यह सुनिश्चित करेगा कि तार दोलन नहीं करते हैं, और इस प्रकार, मापा वर्तमान में अनावश्यक उतार-चढ़ाव को कम कर देगा ।

9. बिजली के शोर को कम करने के लिए उचित ग्राउंडिंग

  1. विरोधी कंपन तालिका है जिस पर माइक्रोस्कोप रखा है (चित्रा 3a) में एक पेंच थ्रेडिंग द्वारा एक जमीन बस बनाएं ।
    नोट: एक विरोधी कंपन तालिका का उपयोग आसपास से कंपन को कम करने के लिए आवश्यक है, जो मापा वर्तमान में अवांछित उतार चढ़ाव का कारण हो सकता है.
  2. एक प्रवाहकीय तार का उपयोग कर, एक पृथ्वी जमीन पर पेंच कनेक्ट (चित्रा 3a), और फिर जमीन बसके लिए खुर्दबीन चरण से कनेक्ट.
  3. प्रयोगात्मक सेटअप पर एक फैराडे पिंजरे जगह शोर को कम करने और फिर विद्युत यह जमीन बस से कनेक्ट (चित्रा 3b).
    नोट: यह हमेशा अनावश्यक जमीन छोरों से बचने के लिए सिफारिश की है, के रूप में वे माप शोर स्तर में वृद्धि करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं.

10. प्रतिक्रिया-नियंत्रित हीटिंग

  1. मशीन एक एल्यूमीनियम हीटिंग खोल जिसमें तेल जलाशय snugly29फिट कर सकते हैं ।
  2. खोल के तल पर एक खोलने छोड़ने के लिए उल्टे माइक्रोस्कोप के माध्यम से खोल के माध्यम से देखने के लिए सक्षम होने के लिए सुनिश्चित करें ।
  3. एल्यूमीनियम खोल के नीचे एक 30 x 30 मिमी प्रतिरोधक polyimide लचीला हीटिंग तत्व प्लेस ।
  4. नीचे की दिशा में गर्मी हानि को कम करने और खुर्दबीन चरण की रक्षा करने के लिए हीटर के नीचे एक इन्सुलेट पॉलीडिमेथिलसिलोक्सने (पीडीएमएस) वेफर रखें ।
  5. तेल के चरण में एक thermocouple डालें । यह सुनिश्चित करने के बाद कि thermocouple या तो एजी/agcl वायर स्पर्श नहीं करता है, thermocouple तारों को एक thermocouple डेटा अधिग्रहण बोर्ड और रिकॉर्ड तापमान कस्टम प्रोग्रामिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करने के लिए कनेक्ट ।
    नोट: एक वांछित मूल्य के लिए तेल के तापमान के हीटिंग और निष्क्रिय ठंडा सक्षम करने के लिए एक पर बंद, आनुपातिक अभिन्न (पीआई) प्रतिक्रिया तापमान नियंत्रण लिखें । अनुरोध पर पाठकों के लिए कोड प्रदान किया जा सकता है ।

11. सॉफ्टवेयर और उपकरणों की स्थापना

  1. कंप्यूटर (एस), माइक्रोस्कोप, फंक्शन जेनरेटर, वर्तमान एम्पलीफायर, और कम शोर डेटा अधिग्रहण प्रणाली पर powering द्वारा डेटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर तैयार करें ।
    नोट: किसी भी वर्तमान संवेदन उपकरण का उपयोग किया जा सकता है, जबकि निम्नलिखित निर्देश सामग्री की तालिकामें सूचीबद्ध एक के लिए विशेष रूप से कर रहे हैं. शोधकर्ताओं ने अपने वर्तमान एम्पलीफायर का निर्माण करना चाहते हैं shlyonsky एट अल.30का उल्लेख कर सकते हैं.
  2. पैच दबाना वर्तमान एम्पलीफायर के सामने पैनल पर, सेट सामने पैनल प्रदर्शन और स्रोत-माप मोड डायल करने के लिए vhold/ihold और V-क्लैंप, क्रमशः.
  3. फ्रंट पैनल पर, 1 kHz करने के लिए lowpass बेसेल फिल्टर सेट और ०.५ के लिए उत्पादन लाभ .
    नोट: एक कम उत्पादन लाभ का चयन बड़ा उच्च वर्तमान amplitudes रिकॉर्डिंग सक्षम बनाता है, जबकि माप शोर को कम करने के लिए लाभ बलिदान माप रेंज में वृद्धि.
  4. कॉंफ़िगरेशन को पूरे कक्ष β = 1 पर सेट करें । यह मान बाद में बड़ा आयाम धाराओं की रिकॉर्डिंग की अनुमति देने के लिए ०.१ करने के लिए बंद हो सकता है ।
  5. अन्य सभी नियंत्रण डायल शून्य करने के लिए या एक तटस्थ स्थिति में सेट करें ।
  6. डेस्कटॉप के चिह्न पर डबल-क्लिक करके सॉफ़्टवेयर को प्रारंभ करें ।
  7. कॉंफ़िगरेशन क्लिक करें । डिजिटाइज़र डिजिटाइज़र संवाद खोलने के लिए, और उसके बाद परिवर्तन बटन क्लिक करें ।
  8. परिवर्तित डिजिटाइज़र संवाद में, डिजीटाइज़र प्रकार सूची से उपयुक्त डिजीटाइज़र का चयन करें ।
  9. डिजिटाइज़र का पता लगाने के लिए स्कैन बटन पर क्लिक करें ।
  10. परिवर्तन डिजीटाइज़र संवाद से बाहर निकलने के लिए ठीक क्लिक करें, और तब डिजीटाइज़र संवाद से बाहर निकलने के लिए ठीक क्लिक करें ।
  11. क्लिक करें चुनावचित्रा । लैब बेंच।
  12. लैब बेंचके इनपुट संकेतों टैब में, स्केल फैक्टर सेट करने के लिए ०.०००५ V/pA.
    नोट: लाभ या β मान परिवर्तित होते हैं, तो यह मान अद्यतन करना होगा ।

12. पिपेट ऑफसेट

नोट: नीचे वर्णित प्रक्रिया केवल वर्तमान एम्पलीफायर सामग्री की तालिकामें उल्लेख करने के लिए लागू होता है.

  1. एक micropipette का उपयोग करना, जमा २०० nL के जलीय लिपिड समाधान "एक" तेल के नीचे प्रत्येक एजी/agcl तार के सिरों पर ।
  2. संपर्क में बूंदों लाओ और एम्पलीफायर के सामने पैनल पर जैप बटन दबाएँ एक मात्रा दोनों इलेक्ट्रोड फैले में बूंदों के लिए एकरुप. यह एक शॉर्ट सर्किट प्रतिक्रिया प्रेरित करना चाहिए.
  3. स्रोत-माप मोड डायल ट्रैककरने के लिए सेट करें ।
  4. सामने पैनल प्रदर्शन डायल Vट्रैककरने के लिए परिवर्तित करें ।
  5. बारी पाइपटीटर ऑफसेट डायल (दक्षिणावर्त या वामावर्त) जब तक मीटर पढ़ता है 0 एमवी और स्थिर है.
  6. वापसी स्रोत-माप मोड डायल v -क्लैंप और सामने पैनल प्रदर्शन डायल vहोल्डकरने के लिए/

13. लिपिड बिलयर का गठन

  1. पहले इलेक्ट्रोड को अनुलंब रूप से तेल चरण से बाहर ले जाकर जमा किए गए बूंदों को छोड़ें । इस कारण बूंदों को इलेक्ट्रोड से तेल में गिरना पड़ता है । तेल में इलेक्ट्रोड को पुनः उपविलय और स्थिति.
  2. प्रत्येक तारों पर लिपिड विलयन ' ए ' के २०० nL को जमा करने के लिए micropipette का प्रयोग करें ।
  3. 3-5 मिनट के लिए प्रतीक्षा करने के लिए सहज लिपिड monolayer विधानसभा के लिए अनुमति देने के लिए प्रत्येक पानी में हो/
    नोट: लिपिड मोनोलेयर रूपों के रूप में, पानी/लिपिड/तेल इंटरफेस सतह तनाव कम हो जाती है, जो बूंदों को प्रसूता को पैदा कर सकती है यदि आसपास का तेल पर्याप्त रूप से कम घना21हो ।
  4. इलेक्ट्रोड कम (और बूंदों) दोनों इलेक्ट्रोड के सिरों तक बमुश्किल तेल जलाशय के नीचे स्पर्श (चित्रा 1b), और फिर उन्हें क्षैतिज चाल संपर्क में बूंदों लाने के लिए.
    नोट: लिपिड बिलायर संपर्क बूंदों के बीच से अतिरिक्त तेल को छोड़कर अनायास पतली हो जाएगी । सामांयतया, यह प्रक्रिया 1 मिनट के भीतर होती है ।

14. जैवअणु मेंरिसटेर के वैद्युत लक्षण

  1. लिपिड बिलेयर गठन
    1. लिपिड bilayer गठन है, जो बूंदों के बीच बिजली समाई में वृद्धि करने के लिए मेल खाती है रिकॉर्ड करने के लिए, एक 10 हर्ट्ज, 10 एमवी त्रिकोणीय तरंग वोल्टेज एक समारोह जनरेटर का उपयोग कर लागू (चित्रा 4) पैच दबाना के बाहरी इनपुट से जुड़ा एम्पलीफायर.
      नोट: लिपिड झिल्ली के कपैसिटिव प्रकृति के कारण, परिणामस्वरूप वर्तमान प्रतिक्रिया एक वर्ग तरंग (चित्रा 4) होना चाहिए. लिपिड बिलेयर गठन के दौरान, चरण ११.६, शोधकर्ता को पीक-टू-पीक वर्तमान आयाम में वृद्धि दिखाई देनी चाहिए और जुड़ी बूंदों (चित्रा 4) के बीच एक दृश्य परिवर्तन का पालन करना चाहिए ।
  2. वर्तमान-वोल्टेज मापन
    नोट: जैवअणु memristor एक रोकनेवाला और समानांतर12,21में एक संधारित्र के रूप में मॉडलिंग की है । इसलिए, डिवाइस की वर्तमान प्रतिक्रिया दोनों प्रतिरोधक और कपैसिटिव घटक लागू वोल्टेज की आवृत्ति के आधार पर शामिल कर सकते हैं. डिवाइस की memristive प्रकृति का अध्ययन करने के लिए, और चुटकी ली हिस्टीराइटिक वर्तमान वोल्टेज संबंध प्राप्त करने के लिए12, यह कुल वर्तमान से कपैसिटिव वर्तमान घटाना करने के लिए आवश्यक हो सकता है. नीचे प्रोटोकॉल इस कार्यविधि का वर्णन करता है ।
    1. एक समारोह जनरेटर का उपयोग करना, समाधान "ए" की बूंदों के साथ इकट्ठे एक alamethicin-मुक्त लिपिड झिल्ली को एक वोल्टेज तरंग (त्रिकोणीय या sinusoidal) लागू होते हैं ।
    2. कई आवृत्तियों भर में प्रेरित वर्तमान प्रतिक्रिया रिकॉर्ड.
      नोट: capacitive धाराओं नीचे आवृत्तियों पर कम कर रहे हैं 10 मेगाहर्ट्ज.
    3. कंप्यूटर पर लिपिड झिल्ली के व्यास को मापने के द्वारा या तो 10 हर्ट्ज, 10 एमवी त्रिकोणीय लहर से उत्पन्न पीक-टू-पीक वर्तमान आयाम की रिकॉर्डिंग द्वारा इंटरफेसियल लिपिड बिलयर के आकार को रिकॉर्ड करें । वर्तमान आयाम झिल्ली समाई है, जो बारी में झिल्ली के क्षेत्र के लिए आनुपातिक है के लिए आनुपातिक है ।
    4. कोई alamethicin शामिल बूंदों को निकालें ।
    5. समाधान "सी" का उपयोग करके नए जलीय बूंदों को जोड़ें और एक लिपिड बिलायर के रूप में ।
    6. एक समान क्षेत्र (व्यास या वर्ग-तरंग वर्तमान आयाम) के रूप में एक पहले का गठन किया है कि इस तरह की बूंदों के बीच संपर्क को समायोजित करने के लिए माइक्रो-निप्टरों का प्रयोग करें ।
    7. चरण 14.2.1 और 14.2.2 दोहराएं ।
    8. कदम 14.2.7 में दर्ज वर्तमान से कदम 14.2.2 में दर्ज की वर्तमान घटाना ।
    9. प्रत्येक आवृत्ति और तरंग "pinched हिस्टेरिसिस" memristive प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए लागू वोल्टेज बनाम प्रेरित वर्तमान प्लॉट.
  3. पल्स प्रयोगों
    1. एक कस्टम प्रोग्रामिंग सॉफ्टवेयर और एनालॉग वोल्टेज स्रोत का उपयोग करना, विशिष्ट उच्च और कम amplitudes के साथ वोल्टेज दालों उत्पन्न, समय पर, और समय से.
      नोट: यह आवश्यक नहीं है, तो वोल्टेज दालों एक वाणिज्यिक समारोह जनरेटर का उपयोग कर उत्पन्न किया जा सकता है.
    2. लागू दालों के जवाब में वर्तमान रिकॉर्ड ।
    3. memristor के कपैसिटिव प्रकृति के कारण, कपैसिटिव spikes दर्ज किया जाएगा. उपयुक्त passband के साथ एक कम पास फिल्टर लागू करने से spikes निकालें ।

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Representative Results

चित्रा 1 को इकट्ठा करने के लिए इस्तेमाल किया प्रयोगात्मक सेटअप को प्रदर्शित करता है और जैव अणु memristor की विशेषता. तेल जलाशय के नीचे करने के लिए इलेक्ट्रोड के मुक्त सिरों को कम करने, के रूप में चित्र 1bमें दिखाया गया है, इलेक्ट्रोड और बूंदों कि मापा वर्तमान और बिलायर क्षेत्र में बदलाव में परिणाम कर सकते हैं के कंपन को कम करने के लिए उपयोगी पाया गया था, विशेष रूप से मामलों में जहां तेल हीटिंग तेल में संवदे प्रवाह उत्पंन कर सकते हैं । चित्रा 2 एजी/agcl तारों, वर्ग capillaries, और इलेक्ट्रोड और micropipette धारकों कोडांतरण की प्रक्रिया और परिणाम से पता चलता है । सेटअप एक ठीक से जमीन फैराडे पिंजरे के भीतर स्थित है (चित्रा 3) विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को कम करने के लिए.

इस अध्ययन के लिए एक स्थिर, इन्सुलेट लिपिड बिलयर बनाने के लिए यह अनिवार्य है । इस प्रोटोकॉल में, तेल में डूबे जलीय बूंदों के तेल/पानी इंटरफेस पर एक लिपिड मोनोलेयर इक्ट्ठा होता है । बूंदों के बीच संपर्क पर, अतिरिक्त तेल बाहर रखा गया है, और विरोध लिपिड monolayers एक 5-एनएम मोटी लिपिड बिलायर करने के लिए पतली । बिलेयर इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी में उपयोग की जाने वाली सबसे आम तकनीक वोल्टेज-क्लैम्प है, जहां बिलयर में वोल्टेज को नियंत्रित किया जाता है और प्रेरित वर्तमान को मापा जाता है ।  चित्रा 4a बिलेयर गठन के दौरान एक 10 एमवी, 10hz वोल्टेज से प्रेरित कपैसिटिव वर्ग लहर वर्तमान चित्रण. जबकि शुरू पर आयाम बढ़ जाती है thinning और बाद में thinned झिल्ली के रेडियल विस्तार, तरंग वर्ग रहता है. वर्ग तरंग धारा के स्थिर-अवस्था आयाम का उपयोग करते हुए लिपिड बिलेयर के नाममात्र क्षेत्र को एक dphpc बिलायर21के लिए विशिष्ट झिल्ली धारिता के पूर्व निर्धारित मूल्य का उपयोग करके परिकलित किया जा सकता है ।  इसके अलावा, बिलेयर क्षेत्र नेत्रहीन चित्र 4bके साथ ली गई एक छवि से बिलायर व्यास की माप द्वारा मूल्यांकन किया जा सकता है । सटीक लिपिड बिलयर क्षेत्र गणना के लिए, पाठक टेलर का उल्लेख करना चाहिए, एट अल.21। लिपिड बिलयर के क्षेत्र में बूंदों की सापेक्ष स्थिति बदलकर21,31को समायोजित किया जा सकता है ।

एक alamethicin मुक्त लिपिड bilayer के लिए एक वोल्टेज पूर्वाग्रह के आवेदन पर, वर्तमान प्रतिक्रिया इनपुट वोल्टेज की आवृत्ति के आधार पर भिन्न हो जाएगा. कम आवृत्तियों पर (< 10-50 मेगाहर्ट्ज), जहां bilayer के प्रतिरोध जटिल प्रतिबाधा हावी, ओमी वर्तमान प्रतिक्रिया नगण्य है क्योंकि नाममात्र झिल्ली प्रतिरोध आम तौर पर से अधिक है 10 gω. के रूप में इनपुट आवृत्ति बढ़ जाती है, झिल्ली समाई प्रणाली के प्रतिबाधा करने के लिए और अधिक योगदान देता है, गैर शून्य वर्तमान प्रतिक्रिया में चित्रा 5aमें वर्तमान बनाम वोल्टेज की साजिश में प्रदर्शित होने के परिणामस्वरूप. जब एक ही इनपुट वोल्टेज तरंग (१५० mV) एक जैव अणु प्रतिक्रिया के लिए लागू किया जाता है एक अल्मेथिकिन-doped लिपिड झिल्ली से मिलकर, और जब वोल्टेज आयाम एक महत्वपूर्ण प्रविष्टि दहलीज से बढ़कर (~ १०० एमवी कमरे के तापमान पर एक dphpc झिल्ली के लिए), अल्मेथिकिन पेप्टाइड्स झिल्ली में लिपिड बियर डालने की सतह पर रहते हैं और प्रवाहकीय pores के रूप में कुल । आयन चैनलों की दहलीज पर निर्भर गठन एक अरैखिक मैक्रोस्कोपिक वर्तमान प्रतिक्रिया में परिणाम, संमिलन दहलीज से अधिक voltages पर तेजी से बढ़ती धाराओं के साथ (चित्रा 5b). जबकि alamethicin पेप्टाइड्स केवल पर्याप्त रूप से सकारात्मक voltages में सुधार आयन चैनल के रूप में जाना जाता है, दोनों छोर पर इन वर्तमान प्रतिक्रियाओं की सममित प्रकृति पेप्टाइड की अलग आबादी की प्रविष्टि और एकत्रीकरण के कारण है, प्रत्येक से झिल्ली के विपरीत दिशा में । एप्लाइड वोल्टेज की आवृत्ति के आधार पर, प्रेरित वर्तमान प्रतिक्रिया भी कपैसिटिव वर्तमान से योगदान हो सकता है. इसलिए, चित्रा 5a में कपैसिटिव वर्तमान आंकड़ा 5a में प्रदर्शित कुल वर्तमान से घटाया जाना चाहिए केवल memristive चुटकी ली हिस्टेरीसिस वर्तमान वोल्टेज प्रतिक्रिया प्राप्त करने के लिए, चित्रा में प्रदर्शित 5 सी, डी.

चित्रा 6 एक वोल्टेज पल्स ट्रेन (१३० एमवी (उच्च), 20 एमवी (कम), १०० एमएस (पर), 20 एमएस (बंद)) द्वारा प्रेरित एक biomolecular memristor की गतिशील स्विचन प्रतिक्रिया प्रदर्शित करता है । ऑफ वोल्टेज के लिए 20 एमवी करने के लिए डिवाइस की वापसी के लिए एक इन्सुलेट राज्य के रूप में अलग alamethicin चैनलों छोड़ वर्तमान से केवल शूंय वोल्टेज इनपुट पर गायब हो bilayer छोड़ने के लिए चुना है । क्रमिक वोल्टेज दालों के दौरान चालू राज्य में संचयी वृद्धि युग्मित-स्पंदित सुविधा का प्रतिनिधित्व करता है, एक plasticity कि अस्थिर biomolecular memristors12प्रदर्शन करने में सक्षम हैं.

Figure 1
चित्रा 1: प्रायोगिक सेटअप और मुख्य भागों । (क) जैव अणु memristor की विशेषता कोडांतरण के लिए मानक कार्य केंद्र एक औंधा खुर्दबीन, 3 अक्ष microanipulators, एक डिजिटल कैमरा, एक कंपन अलगाव तालिका, एक इलेक्ट्रोड धारक, एक गिलास माइक्रोपिपेट धारक, एक शामिल वर्तमान एम्पलीफायर, एक समारोह जनरेटर, और एक तेल जलाशय. सेटअप माइक्रोस्कोप के चरण 11-13 में वर्णित के रूप में इकट्ठे हुए है । (ख) एजी/agcl तारों के सुझावों दिखा सेटअप के एक ज़ूम-इन तस्वीर तेल जलाशय के नीचे छू । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: इलेक्ट्रोड तैयारी प्रक्रिया. तस्वीरें दिखा रहा है: (क) चांदी के तारों ब्लीच में भिगोने; (ब) एक इलेक्ट्रोड धारक; (ग) इलेक्ट्रोड धारक से जुड़े 5 सेमी लंबे कांच केशिका; (घ) एक एजी/agcl इलेक्ट्रोड कांच केशिका के माध्यम से खिलाया; (इ) एक गिलास माइक्रोपिपेट धारक; और (च) पूरी तरह से इकट्ठे इलेक्ट्रोड और धारकों.  कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: ग्राउंडिंग प्रक्रिया । दिखा तस्वीरें: (क) एक पेंच एक जमीन बस जब पृथ्वी जमीन से जुड़ा बनाने के लिए कंपन अलगाव तालिका सतह में लड़ी पिरोया; और (ख) एक प्रयोगशाला निर्मित फैराडे पिंजरे में तेल जलाशय और इलेक्ट्रोड सेटअप को कवर करने के लिए विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप से माप ढाल. दोनों पिंजरे और खुर्दबीन मंच केबल मैं और द्वितीय के माध्यम से जमीन बस से बंधे हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: वास्तविक समय वर्तमान मापन प्रारंभिक बिलायर thinning और क्षेत्रीय विकास दिखा । (क) एक त्रिकोणीय तरंग वोल्टेज के जवाब में लिपिड-लेपित बूंदों के बीच सहज बिलायर गठन के दौरान वर्तमान मापा (ऊपर) । मापा वर्तमान का परिमाण सीधे इंटरफेस की समाई के लिए आनुपातिक है और इसलिए, बिलायर के क्षेत्र । इंटरफ़ेस के क्षेत्र में दो छोटी बूंद असर इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी बदलकर अलग किया जा सकता है. (इ) औंधा खुर्दबीन के माध्यम से प्राप्त की गई एक छवि एक विशिष्ट झिल्ली आधारित जैव अणु memristor के नीचे देखने और आयामों से पता चलता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: वर्तमान-वोल्टेज संबंध और चुटकी ली शैथिल्य. (क) एक अल्मेथिकिन-मुक्त dphpc लिपिड बिलायर की वर्तमान-वोल्टेज प्रतिक्रियाओं. एक लिपिड-केवल झिल्ली अत्यधिक इन्सुलेट (~ 10 gω), जो ०.०१७ हर्ट्ज पर कम ओमी वर्तमान प्रतिक्रिया बताते हैं, एक आवृत्ति जहां प्रतिबाधा झिल्ली प्रतिरोध का प्रभुत्व है. उच्च आवृत्तियों पर, झिल्ली समाई इंटरफ़ेस के कुल प्रतिबाधा के लिए और अधिक महत्वपूर्ण योगदान देता है, एक गैर शून्य प्रेरित कपैसिटिव वर्तमान में जिसके परिणामस्वरूप. (ख) अल्मेथिकिन पेप्टाइड्स युक्त दो बूंदों के बीच गठित एक लिपिड बिलेयर की आवृत्ति बनाम गतिशील वर्तमान-वोल्टेज संबंध (एक त्रिकोणीय इनपुट तरंग के साथ प्राप्त). (ग) डिवाइस के मेम्सटिव, चुटकी ली हिस्टीरेटिक वर्तमान प्रतिक्रिया बीमें प्रदर्शित कुल वर्तमान से एक में प्रदर्शित कपैसिटिव वर्तमान घटाकर द्वारा प्राप्त की है. (घ) कुल और memristive धाराओं के बीच मतभेदों को उजागर करने के लिए zooming-in.  कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: आयताकार वोल्टेज दालों और plasticity के लिए biomolecular memristors की प्रतिक्रिया. डिवाइस बाद में समय के दौरान चालकता में वृद्धि के साथ अनुवर्ती वोल्टेज दालों का जवाब, एक बंद समय के दौरान पड़े एक इन्सुलेट राज्य को बहाल करने के बावजूद. नाड़ी से पल्स करने के लिए वर्तमान में वृद्धि से पता चलता है कि डिवाइस की तात्कालिक चालकता दोनों वर्तमान उत्तेजना और पूर्व stimuli का एक समारोह है, जैव-synapses में अल्पकालिक plasticity के अनुरूप. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।

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Discussion

यह कागज़ कोडांतरण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है और तेल में पानी की दो बूंदों के बीच गठित आयन चैनल-मैगनेटिक सिंथेटिक बायोमेंबर्स पर आधारित जैवअणु मेम्सटर की विशेषता है । नरम बात है, दो टर्मिनल डिवाइस बनाया गया है और अध्ययन करने के लिए: 1) इस तरह के उच्च शोर, उच्च ऊर्जा की खपत, और उच्च स्विचन voltages के रूप में ठोस राज्य प्रौद्योगिकी, के साथ जुड़े रहे हैं कि बाधाओं को दूर, 2) और अधिक बारीकी से रचना की नकल, संरचना , जैविक synapses के तंत्र स्विचन, और 3) तंत्र और जैव synapses plasticity कि ठोस राज्य उपकरणों द्वारा प्रदर्शित नहीं कर रहे है की सुविधाओं का पता लगाएं ।

छोटी बूंद इंटरफेस bilayer तकनीक21, जो वर्तमान प्रौद्योगिकी12के निर्माण खंड का प्रतिनिधित्व करता है, झिल्ली विधानसभा के लिए एक सरल, मॉड्यूलर दृष्टिकोण है कि बड़े पैमाने पर झिल्ली बायोफिज़िक्स21अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है, प्रोटीन22, आयन चैनल29, और अन्य जैव अणुओं३२. यह ठीक नियंत्रण और मॉडल झिल्ली पूछताछ के लिए विशिष्ट लाभ प्रदान करता है, और उत्तेजनात्मक उत्तरदायी और स्वायत्त सामग्री के लिए एक इमारत ब्लॉक का प्रतिनिधित्व करता है26. एकाधिक तरीकों को विकसित करने के लिए मुख्य विधि के रूप में अनुकूलित किया गया था जो फांसी ड्रॉप21 विधि सहित छोटी बूंद इंटरफेस बिलायरों इकट्ठा करने के लिए विकसित किया गया है और जैव अणु memristor की विशेषता है । हालांकि इस झिल्ली विधानसभा तकनीक पिछले अध्ययनों में इस्तेमाल किया गया था, यहां हम एक पूरी तरह से प्रोटोकॉल है कि शोधकर्ताओं को विश्राम करने के लिए और अपनी प्रयोगशालाओं में memristive छोटी बूंद इंटरफेस bilayers अध्ययन की अनुमति देता है वर्तमान । प्रोटोकॉल विशेष रूप से एक तरह से गैर में शोधकर्ताओं को अनुमति देने के लिए लिखा है-झिल्ली जीव विज्ञान क्षेत्रों, neuromorphic समुदाय के रूप में, इन प्रक्रियाओं को समझने और विश्राम करने के लिए.

अपने सरलतम रूप में, प्रोटोकॉल हम इस के साथ साथ एक बायोमेंबर्डेन के memristive कार्यक्षमताओं का आकलन करने के लिए इस तरह के एक समारोह जनरेटर, एक खुर्दबीन, और एक मौजूदा मापने प्रणाली के रूप में बुनियादी प्रयोगशाला उपकरणों के साथ दोहराया जा सकता है वर्णन किया है । इकट्ठे डिवाइस विद्युत एक रोकनेवाला के बराबर है (~ 10 gω) और एक समानांतर में वायर्ड संधारित्र. पेप्टाइड्स की उपस्थिति में, जैसे अल्मेथिकिन, जो झिल्ली में वोल्टेज-निर्भर pores बनाने में सक्षम हैं, झिल्ली प्रतिरोध काफी गिरता है, और प्रतिरोधक धारा इनपुट वोल्टेज संकेतों (डीसी या एसी) के जवाब में पाया जा सकता है । हालांकि, बड़े झिल्ली प्रतिरोध और आवृत्ति पर निर्भर विद्युत प्रतिबाधा डिवाइस का मतलब है कि: 1) प्रेरित धाराओं छोटे हैं (pA-nA), और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के अधीन; और 2) ध्यान सही प्रेरित और कपैसिटिव झिल्ली प्रतिक्रियाओं से अलग वांछित memristive गुणों को मापने के लिए लिया जाना चाहिए, क्रमशः. एक एसी वोल्टेज के जवाब में, और संकेत की आवृत्ति पर निर्भर करता है, दर्ज की वर्तमान दोनों कपैसिटिव और प्रतिरोधक घटकों में शामिल होंगे. चुटकी ली शैथिल्य को प्राप्त करने के लिए, जो memristive डिवाइस का एक हस्ताक्षर है, एक चरण में वर्णित प्रोटोकॉल का पालन करना चाहिए 14. फांसी तारों कंपन के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं, जो इस तरह के दोलनों के रूप में artefactual प्रतिक्रियाओं में परिणाम कर सकते हैं गलती से डिवाइस की वास्तविक गतिशीलता के लिए जिंमेदार ठहराया. स्थिति तेल जलाशय के तल पर तारों इस व्यवहार ameliorates ।

अपने वर्तमान संरचना और डिजाइन के साथ biomolecular memristor अल्पकालिक synaptic plasticity कि presynaptic टर्मिनल में होता है emulates । यह भी तंत्र के कुछ mimics है कि कारण मस्तिष्क में presynaptic बनती स्पंदित अधिकारियो के संचय और न्यूरोट्रांसमीटर की कमी के कारण presynaptic न्यूरॉन में vesicles. synaptic mimics कोडांतरण के लिए इस पद्धति के अध्ययन और अल्पकालिक plasticity के कई प्रकार के लिए जिंमेदार बायोमेमेटिक प्रक्रियाओं के सत्यापन में सक्षम बनाता है, और प्रतिरूपकता और मापनीयता के अनुकूलन अन्य प्रौद्योगिकियों के साथ संभव नहीं३३. अप्रत्याशित कार्यक्षमता या तो झिल्ली संरचना को संशोधित करके खोजा जा सकता है, आयन चैनल के प्रकार है कि झिल्ली में शामिल कर रहे हैं, और यहां तक कि जुड़े बूंदों और अंतरापृष् ठीय झिल्ली की संख्या प्रत्येक दो-टर्मिनल का गठन उपकरण. एक उदाहरण के रूप में, हम हाल ही में यह एक ठोस राज्य ंयूरन३४के साथ interfacing द्वारा जैव अणु memristor के ऑनलाइन सीखने की क्षमताओं का प्रदर्शन किया है ।

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Disclosures

इस पांडुलिपि को यूटी-बैटेले, एलएलसी, अनुबंध सं के तहत लिखा गया है । DE-AC0500OR22725 अमेरिकी ऊर्जा विभाग के साथ । संयुक्त राज्य अमेरिका सरकार को बरकरार रखे हुए है और प्रकाशक, प्रकाशन के लिए लेख को स्वीकार करके, मानता है कि संयुक्त राज्य अमेरिका सरकार के एक गैर अनंय, भुगतान किया, अटल, विश्व चौड़ा लाइसेंस को प्रकाशित करने या प्रतिलिपि प्रकाशित फार्म को बरकरार रखती है इस पांडुलिपि, या दूसरों को ऐसा करने की अनुमति, संयुक्त राज्य अमेरिका सरकार प्रयोजनों के लिए.

Acknowledgments

वित्तीय सहायता राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन अनुदान nsf eccs-१६३१४७२ द्वारा प्रदान की गई । g.j.t. के लिए अनुसंधान, c.d.s., अटल बिहारी, और c.p.c. आंशिक रूप से प्रयोगशाला द्वारा प्रायोजित किया गया था ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाला के अनुसंधान और विकास कार्यक्रम, केंद्र शासित प्रदेशों द्वारा प्रबंधित-battelle, LLC, अमेरिका के ऊर्जा विभाग के लिए । इस शोध का एक हिस्सा नैनफैसे सामग्री विज्ञान के लिए केंद्र में आयोजित किया गया, जो कि विज्ञान प्रयोक्ता सुविधा का एक डीईओ कार्यालय है ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1,2-diphytanoy-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) Avanti Polar Lipids 850356P/850356C Purchased as lyophilized powder (P) or in chloroform (C) 
Agarose  Sigma-Aldrich A9539
Agarose (0.5g Agarose Tablets) Benchmark A2501 You can either use the powder form or the tablets 
Alamethicin  AG Scientific A-1286
Analytical balance  Mettler Toledo ME204TE/00
Axopatch 200B Amplifier  Molecular Devices -
BK Precision 4017B 10 MHz DDs Sweep/Function Generator Digi-Key BK4017B-ND
Borosilicate Glass Capillaries World Precision Instruments 1B100F-4
Brain Total Lipid Extracts (Porcine) Avanti Polar Lipids 131101
DigiData 1440A system Molecular Devices -
Extruder Set With Holder/Heating Block  Avanti Polar Lipids 610000 This includes a mini-extruder, 2 syringes, 100 PC membranes, 100 filter supports, and 1 holder/heating block
Freezer (-20 °C) VWR International SCUCBI0420AD
Glassware VWR International -
Hexadecane, 99% Sigma-Aldrich 544-76-3
Isopropyl Alcohol VWR International BDH1133-4LP
Microelectrode Holder  World Precision Instruments MEH1S
MOPS Sigma-Aldrich M1254
Nitrogen (N2) Gas Airgas UN1066
Parafilm M All-Purpose Laboratory Film Parafilm PM999
Powder Free Soft Nitrile Examination Gloves  VWR International CA89-38-272
Precleaned Microscope Sildes  Fisher Scientific  22-267-013
Refrigirator (4 °C) VWR International SCUCFS-0504G
Silver wire GoodFellow 147-346-94 Different diameters could be used depending on the application 
Sodium Chloride (KCl) Sigma-Aldrich P3911
Stirring Hot Plate Thermo Scientific  SP131325
VWR Light-Duty Tissue Wipers VWR International 82003-820
VWR Scientific 50D Ultrasonic Cleaner VWR International 13089

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References

  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).

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Najem, J. S., Taylor, G. J., Armendarez, N., Weiss, R. J., Hasan, M. S., Rose, G. S., Schuman, C. D., Belianinov, A., Sarles, S. A., Collier, C. P. Assembly and Characterization of Biomolecular Memristors Consisting of Ion Channel-doped Lipid Membranes. J. Vis. Exp. (145), e58998, doi:10.3791/58998 (2019).

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