Yöntem makalesi

Derleme ve biyomoleküler iyon kanal katkılı Lipid membranlar oluşan Memristors karakterizasyonu

DOI:

10.3791/58998

⸱

9 Mart 2019

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

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yumuşak, düşük güçte, benzer kompozisyon, yapısı ve biyo-sinapslarda mekanizmaları geçiş biyomoleküler memristors kaldıraç. Burada sunulan bir araya getiren ve biyomoleküler memristors karakterize için bir protokol lipid bilayers Su damlacıkları yağı arasında oluşan yalıtım elde edilir. Gerilim-harekete geçirmek alamethicin peptidler sonuçlarında memristive iyonik gürültülerinden membran arasında birleşme.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Neuromorphic karşılaştırılabilir verimliliği ve yoğunluğu ile bilişsel güçler beynin taklit etmeye sistemleri bilgi işlem için gerekli olan sentetik devre elemanları sinaptik işlevleri yeniden oluşturmak için yeteneğidir. Bugüne kadar silikon bazlı üç-terminal transistörler ve iki-terminal memristors yaygın neuromorphic devrelerde, bilgi işleme ve bellek ortak bulmak için yeteneklerini nedeniyle büyük ölçüde kullanılmaktadır. Onlar çünkü bu cihazlar beyin karmaşıklığını ve Birleştiricisi elde edemez henüz güce susamış, başarısız anahtar sinaptik functionalities taklit ve yüksek gürültü ve yüksek gerilim anahtarlama muzdarip. Bu sınırlamalar üstesinden gelmek için biz geliştirdik ve bileşimi, yapısı ve biyolojik sinapslarda anahtarlama özelliklerini taklit eden bir biyomoleküler memristor ile karakterizedir. Burada, biz montaj işlemi tanımlamak ve biyomoleküler memristors 5 nm-kalın lipid bilayer oluşan karakterize lipid functionalized Su damlacıkları yağı arasında oluşturulmuş ve gerilim-harekete geçirmek alamethicin peptidler ile katkılı. Benzer derleme protokolleri biyofiziksel özellikleri membran bağlı iyon kanalları ve damlacık destekli lipid membranlar araştırmak için kullanılan iken, bu makale damlacık arabirim bilayer yöntemi için gerekli olan önemli değişiklikler üzerinde duruluyor tutarlı memristor performansını elde etmek. Özellikle, biz lipozom hazırlık süreci ve alamethicin peptidler lipid bilayer membranlarda birleşme ve etkilerini yanı sıra her kurucu uygun konsantrasyonlarda memristors genel yanıt açıklar. Biz de biyomoleküler memristors ölçüm ve analiz çevrimsel voltammetry, hem de kısa vadeli plastisite yolu ile elde edilen ve step-wise yanıt olarak öğrenme memristive akım-gerilim ilişkileri de dahil olmak üzere, karakterizasyonu sürecinin detay gerilim darbe trenler.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yaygın biyolojik sinapslarda yüksek verimlilik ve yeteneklerini öğrenmek ve son derece uyumlu şekilde bilgi işlem nedeniyle beynin muazzam parallelism en büyük ölçüde sorumlu kabul edilmektedir. Koordine bu işlevi birden çok, son derece karmaşık moleküler mekanizmaları her iki kısa ve uzun vadeli sinaptik plastisite1,2,3,4,5o sürücü ortaya çıkıyor. Neuromorphic bilgisayar sistemleri sinaptik işlevleri, yoğunluk, karmaşıklık ve enerji verimliliği beyin, beyin gibi bilgisayar6,7 yeni nesil için gereksinim duyulan yaklaşan düzeyde taklit hedefliyoruz , 8. geleneksel elektronik devre elemanları kullanarak sinaptik özellikleri üreyen neredeyse imkansız9yerine tasarım ve imalat gelen sinyallere adapte ve hatırlıyorum yeni donanım öğeleri gerektiren, be bilgi geçmişleri9. Bu tür donanım synapse esinlenen mem-elementlerin9,10,11 (kısaltması bellek öğeleri), hangi Di Ventra ve ark.9,11göre pasif bilinen, dış uyaranlara yanıt olarak yapılandırılması, direnç, kapasite veya indüktans ve hangi önceki Birleşik11hatırlıyorum iki terminal cihazları. Bu beyinde yaklaşan enerji tüketim seviyeleri elde etmek için bu öğeleri benzer malzeme ve mekanizmalar, sinaptik plastisite12için istihdam.

Bugüne kadar iki-terminal memristors13,14,15 ağırlıklı olarak inşa edilmiş yüksek anahtarlama gerilim ve yüksek gürültü ile karakterize tamamlayıcı metal oksit yarı iletkeni (CMOS) teknolojisini kullanarak. Bu teknoloji de yüksek güç tüketimi ve düşük yoğunluk nedeniyle ölçek değil. Bu sınırlamaları gidermek için birden çok organik ve polimerik memristors son zamanlarda inşa edilmiştir. Ancak, bu aygıtların zaman alıcı iyon Difüzyon yoluyla bir iletken polimer matris16,17nedeniyle önemli ölçüde yavaş anahtarlama dynamics sergi. Sonuç olarak, hangi tarafından her iki CMOS tabanlı ve organik memristive cihaz synapse esinlenen işlevleri taklit mekanizmaları sadece birkaç sinaptik işlevleri gibi Spike zamanlama bağımlı plastisite (STDP) kapsayan son derece fenomenolojik 18, diğer önemli bakan bulunuyor olsa da önceden sinaptik, kısa vadeli plastisite19gibi bir güçlü ve verimli bilgisayar beyin yapımında önemli rol oynarlar.

Son zamanlarda, biz yeni bir sınıf biyomoleküler kompozisyon, membran yapısı ve iyon tetiklenen kanal geçiş taklit eden gerilim-harekete geçirmek peptidler biomimetic lipid dahil featuring memristive cihazlar12 tanıttı mekanizmaları biyolojik sinapslarda20.  Burada, nasıl bir araya getiren ve bu iki terminal aygıtların elektriksel olarak sorguya açıklar nasıl online içinde uygulama için kısa vadeli plastisite değerlendirmek için belirli odaklı uygulamaları12öğrenme. Cihaz Montaj kapsamlı son yıllarda modeli membranlar21 ve membran bağlı iyon kanalları22,23biyofizik eğitim için kullanılan bu damlacık arabirimi bilayer (DIB)21 yöntem üzerinde dayanır, 24ve uyaranlara duyarlı malzeme25,26gelişimi için yapı taşları olarak. Biz neuromorphic uygulamalarında ilgilenenler için membran montaj ve sorgulama süreci ayrıntılı tarif ama sınırlı deneyiminiz Biyomalzeme veya membran Biyoloji. Protokol Ayrıca aygıt27dinamik ve reconfigurable elektriksel özellikleri verilen derleme işlemi olarak önemlidir karakterizasyonu yordamı tam bir açıklaması vardır. Burada açıklanan yordamı ve temsilcisi sonuçları düşük maliyetli, düşük güç, yumuşak mem-elementlerin lipid arabirimleri ve diğer biomolecules neuromorphic bilgi işlem, özerk yapıları ve sistemleri uygulamaları için temel alan yeni bir sınıf için temeller vardır, ve hatta adaptif beyin-bilgisayar arayüzleri.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. genel yönergeler ve önlemler

  1. Uygun, hasarsız ölçme/karıştırma Züccaciye Mağazaları (şişeler, kadehler, vb) ve diğer aygıtlar (spatula, kaşık toz, vb) kullanmak için seçin.
  2. Cam dikkatli bir şekilde zarar görmesini önlemek için SAP ve Züccaciye Mağazaları/aygıtlar parmaklarınızın üzerinden artıkları ile bulaşıcı önlemek için ve cildinizi korumak için lateks veya nitril eldiven giymek.
  3. Temiz seçilmiş Züccaciye Mağazaları/iyice kullanarak tekrar tekrar deterjan solüsyonu ve su bir yumuşak şişe fırça kadar temiz ve tüm artıkları ile ovma tarafından aygıtlar kaldırılır.
  4. Musluk suyu ile ve sonra deiyonize (DI) su ile iyice durulayın. Raf hava kurutma üzerinde yer kuru.
  5. İsteğe bağlı: Durulama temizlenmiş Züccaciye Mağazaları/aygıtlar izopropil (IPA, % 99.5) ile ve herhangi bir kirletici maddeleri (~ 2 h) ücretsiz olduklarından emin olmak için tüm kalıntı IPA buharlaşır için vakum altında yerleştirin. Vakum odası çıkarın ve temiz ortamda yerleştirin.
    Not: hav bırakmayan mendil silerek Züccaciye Mağazaları ve aygıtlar için kullanın. Satın alma ve steril küçük cam şişe ve güvenli kilit tüpler malzeme hazırlama ve örnek depolama için kullanın. Temizlik Züccaciye Mağazaları ve diğer laboratuvar standart işletim yordamlar hakkında daha fazla ayrıntı için için Jüpiter bilim eğitim veritabanı28bakın.

2. sulu tampon çözüm hazırlanması

  1. Giyen lateks veya nitril eldiven, 50 mL sulu arabelleği hazırlamak için bir uygun ve temiz cam kap seçin (500 mM Sodyum Klorür (KCl), 10 mM 3-(N-morpholino) propanesulfonic asit (paspas), pH 7,0).
  2. Bir dijital kullanarak, yüksek hassasiyetli kütle denge ve temiz bir spatula KCl 1.86378 g temiz tartı kağıt üzerine dağıtmak ve cam kaba ekleyin.
    Not: KCl ve SÜPÜRGEYİ miktarda istenen birimin bağlı olarak değişir ve son konsantrasyonları istenen.
  3. PASPAS 0.10463 gram ağırlığında ve cam kapsayıcıya ekle. KCl ve SÜPÜRGEYİ tamamen eriyene kadar sonra DI su 50 mL cam kaba ve girdap iyice ekleyin.
  4. Arabellek çözüm oda sıcaklığında saklamak ve gerektiğinde kullanın.
    Not: tampon çözeltiler nispeten uzun süre saklanabilir, bu taze olarak hazırlanan tampon çözeltiler için daha iyi ve daha tutarlı sonuçlar kullanmak için önerilir.

3. lipozomlar hazırlanması

Not: fosfolipitler liyofilize toz elde edilir ve bu nedenle, fosfolipitler kloroform içinde aldıysanız atlanabilir adım 3.1 yalnızca uygulanır.

  1. 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) veya beyin toplam Lipid ayıklar (BTLE) lipidler 1 ml 5 mL steril cam şişe içinde kloroform 5 mg geçiyoruz.
  2. Yavaşça dönen iken, kloroform kuru azot nazik akışı altında kadar şişe dibinde bir lipid film kalır buharlaşır.
  3. 10-12 h kalan kloroform tamamen kaldırılması için izin vermek için vakum altında lipit filmin içeren flakon yerleştirin.
  4. Şişeyi vakum odasından kaldırın ve lipit filmin 10 mL 2 mg/mL son lipid konsantrasyon ulaşmak için adım 2'de hazırlanan sulu tampon çözeltisi ekleyerek suyla temasa.
  5. Dondurma (-20 °C) ve tamamen lipid süspansiyon multilamellar lipozom derleme kolaylaştırmak için altı kez çözülme.
    Not: ısıtmalı bir ortamda hiç oda sıcaklığında çözülmeye karışım izin.
  6. Piyasada bulunan bir Ekstruder kullanarak, lipozom çözüm tam lipid süspansiyon parça kazınmış 0,1 mikron gözenek çapı membran aracılığıyla zorlayarak A'ya. Süspansiyon unilamellar lipozomlar uygun lipid monolayer oluşumu için gerekli c.a. 100 nm fan çapı elde etmek için 11 kez hemen arkaya bükün. 4 °C, lipozom süspansiyon kapaklarý takýlý hazırlık 1 hafta içinde. Kolaylık olması açısından, elde edilen lipozom çözüm için "A" olarak bakın.
    Not: BTLE lipozomlar ekstrüzyon için 45-50 °C, faz geçiş yüksek Ekstruder ısınmak için teşvik BTLE lipidler sıcaklığını araştırmacıdır (~ 37 °C)23,29daha kolay ekstrüzyon etkinleştirmek için. Sulu BTLE lipozom (süspansiyonlar da doğrudan donma-çözülme ve Ekstrüzyon yerine) bir banyo sonicator 55 °C ~ 15 dk için kapalı süspansiyon şişe içine yerleştirerek hazırlanabilir.

4. Alamethicin peptidler sulandırma

Not: Bu yordam lipozomlar 1 mikron son bir konsantrasyon için rekonstitüsyon alamethicin sürecini açıklar. Bu konsantrasyon nA düzeyi akımları bu daha önce yayımlanan12' ye benzer ikna etmek yeterli olur. Peptid konsantrasyonu artan anahtarlama eşik azaltmak ve uygulanan gerilim29tarafından indüklenen akımları genlikleri artırmak.

  1. Alamethicin peptidler etanol için 2,5 mg/mL, girdap karıştırın kısaca son bir konsantrasyon içinde dağıtılması ve hisse senedi çözüm dondurucu (-20 °C) depolamak.
    Not: Alamethicin peptidler genellikle toz formunda satın alınır.
  2. 1.5 mL güvenli kilit tüp çözüm "A" 99 μL lipozom süspansiyon 13 μm kalınlığında bir son alamethicin konsantrasyon elde etmek için alamethicin hisse senedi çözeltinin 1 μL karıştırın.  Girdap iyice karıştırın. Elde edilen peptid lipozom çözüm için "B" olarak bakın.
  3. Mix 117 μL çözüm 1 mM ve daha sonra girdap karıştırın son alamethicin konsantrasyon ulaşmak için çözüm B 10 μL ile "A". Elde edilen çözüm için "C" bakın.
  4. Çözümler '''' B depolamak ve '''' C 4 °C ve gerektiğinde kullanın.

5. özel jel hazırlanması

  1. Dijital, yüksek hassas kütle denge ve temiz bir spatula kullanarak, özel toz 0.5 g için temiz bir tartı kağıt ekleyin.
  2. Transfer 100 mL temiz cam kabı için özel tartılır ve 50 mL DI su için özel ekleyin.
    Not: Bu %1 (wt/vol) özel jel çözüm ortaya çıkarır.
  3. Cam kabı içinde temiz bir karıştırma mıknatıs yerleştirmek ve kabı coşkulu bir sıcak tabağa yerleştirin.
  4. Özel tamamen eriyene kadar karıştırma sırasında karışımı bir taşım kaynadıktan.
  5. Kabı sıcak plaka için oda sıcaklığında karışımı soğumaya bırakın kaldırın. 4 °C mağazasında ve gerektiğinde kullanın.
  6. Yeniden kullanmadan önce özel bir sıcak sac veya mikrodalga Isıtma tarafından yeniden eritebilir.

6. yağ haznesi imalatı

Not: aşağıda açıklanan yordamı sadece bir yağ haznesi sahte olduğu birçok yollarından biridir. Okuyucu yetenekleri ve özel ihtiyaçları işleme tasarım ve kullanılabilir malzemeler üzerinde dayalı bir rezervuar imal teşvik edilmektedir.

  1. Şerit testere kullanılarak, 12 x 12 x 12 mm akrilik küpten bir daha büyük 12 mm kalınlığında akrilik levha kesme.
  2. 12 mm çapında delik akrilik tüp (Şekil 1a) 8-12 mm derinliğe değirmen.

7. elektrotlar hazırlanması

  1. Makas, kesme iki adet (75 mm) gümüş telleri (125 mikron çaplı) kullanarak.
  2. Bir açık alev çakmak kullanarak, form küçük küresel toplar (yaklaşık 250 mikron çapında) her gümüş tel bir ucunu eritebilir.
  3. Çamaşır suyu için bir gümüş gümüş klorür (Ag/AgCl) kaplama oluşturmak 1-2 h top biter bırakın. Koyu gri renk Ag/AgCl kaplama (şekil 2a) kurdu gösterir.
  4. Her iki teller çamaşır suyu çıkarın, DI suyuyla iyice durulayın ve bir kenara bir temiz havsız silin yerleştirin.
  5. Top ucu ince bir tabaka oluşturmak için erimiş özel jel daldırma. Bu jel kaplama petrol altında telleri üzerine sulu damlacıkları çapa için yardımcı olur.
  6. Bir cam kesici kullanarak, 10 cm uzun bir 1/0,58 OD/ID mm borosilikat cam iki 5 cm kılcal kapiller bölün.
  7. Cam kapiller bir elektrot tutucu (şekil 2b, c) yerleştirin ve sonra bir bardak kapiller (şekil 2B) içine Ag/AgCl tel besleme. İkinci cam kılcal damar içine diğer Ag/AgCl tel besleme.
  8. İkinci cam kılcal bir cam micropipette sahibi (şekil 2e, f) için mount.

8. deney kurma

  1. 1 mm kalınlığında, 25 x 75 mm cam slayt bir ters mikroskobu (Şekil 1a) sahne alanı üzerine yerleştirin.
  2. Hexadecane yağ cam slayt merkezi üzerine birkaç damla dağıtmak ve cam slayt üzerinde yağ haznesi yağ doğrudan üzerine yerleştirin.
    Not: Cam slayt ve petrol rezervuar arasında yağı ekleyerek daha keskin ve net görüntüler sunar substrat kırılma indisini eşleştirmek için kullanılır.
  3. Tamamen yağ haznesi hexadecane petrol ile doldurmak. Havzanın objektif lens konumlandırılmış emin olun.
    Not: Hidrofobik diğer yağlar de kullanılabilir.
  4. Elektrot tutucu geçerli bir amplifikatör headstage için bağlayın. Headstage bir micromanipulator (elektrot uzunluğu en aza indirmek için,Şekil 1a) ve elektriksel gürültü monte gerekir.
  5. Cam micropipette sahibi başka bir micromanipulator (Şekil 1a) üzerine ikinci Ag/AgCl tel ile bağlayın.
  6. Manipülatörler, öyle ki özel ipuçları Ag/AgCl tel kaplı elektrotlar tam olarak benzer bir dikey düzlem, yağ haznesi içine sular altında konum kullanarak.
  7. İki elektrot hizalamak veya birkaç milimetre (Şekil 1a, b) ayırabilirsiniz.
    Not: elektrot ipuçları yağ haznesi alt dokunuyorsun kadar ( adım 13' te açıklanmaktadır) damlacıkları ekledikten sonra teller duruma Dosdoğru ileri. Bu adımı teller değil salınım ve böylece, ölçülen mevcut gereksiz dalgalanmalar en aza indirmek olacaktır sağlayacaktır.

9. uygun elektriksel gürültü azaltmak için topraklama

  1. Bir yere otobüs bir vida mikroskop (şekil 3a) yerleştirildiği Anti-titreşim tabloya iş parçacığı oluşturun.
    Not: bir anti-titreşim tablo kullanarak ölçülen geçerli istenmeyen dalgalanmalar neden olabilir çevreleyen, gelen titreşimleri en aza indirmek için gereklidir.
  2. Bir iletken tel kullanarak, vida toprak toprağa (şekil 3a) bağlanabilir ve mikroskop sahne yere otobüsbağlanın.
  3. Faraday kafesi gürültüyü azaltmak ve sonra elektrikle yere otobüs (şekil 3b) bağlanmak için deneysel kurulum üzerine getirin.
    Not: ölçüm gürültü seviyesi bir artışa neden olabilir gibi her zaman gereksiz yere döngüler, önlemek için önerilir.

10. geribildirim kontrollü Isıtma

  1. Bir alüminyum yağ haznesi rahatça29sığabilecek kabuk Isıtma makine.
  2. Bir açık deniz hayvanı kabuğu yolu ile ters mikroskop aracılığıyla görüntülemek muktedir kabuk altındaki bıraktığınızdan emin olun.
  3. 30 x 30 mm rezistif polimid esnek ısıtma elemanı alüminyum kabuk altına yerleştirin.
  4. Bir yalıtım polydimethylsiloxane (PDMS) gofret aşağıya doğru yönde ısı kaybını azaltmak ve mikroskop sahne korumak için ısıtıcı altına yerleştirin.
  5. Bir ısıl petrol aşamasında içine yerleştirin. Isıl emin does değil değmek ya Ag/AgCl tel sonra ısıl tel bir ısıl veri edinme kurulu ve rekor sıcaklık özel programlama yazılımı kullanarak bağlayın.
    Not: Isıtma ve yağ sıcaklığı istenilen değere pasif soğutma etkinleştirmek için bir On-Off, orantılı ayrılmaz (PI) geribildirim sıcaklık kontrolü yazın. Kodları okuyucuların istek üzerine temin edilebilir.

11. yazılım ve donanım ayarlama

  1. Veri toplama yazılımı bilgisayar, mikroskop, işlev üreteci, geçerli amplifikatör ve düşük gürültü veri toplama sistemleri üzerinde güç tarafından hazırlayın.
    Not: herhangi bir geçerli algılama cihazları used, aşağıdaki yönergeler için özellikle Malzemeler tabloiçinde listelenen bir iken. Kendi geçerli amplifikatör kurmak isteyen araştırmacılar Shlyonsky vd.30' a başvurabilirsiniz.
  2. Yama kelepçe ön panelinde geçerli amplifikatör, ayarla ön panel ekran ve kaynak-ölçüm modu VHOLD/IHOLD ve V-kelepçe, anılan sıraya göre arar.
  3. Ön panelde kurar Bessel filtre 0,5 1 kHz ve Çıkış elde etmek için ayarlayın.
    Not: kazanç kurban ölçüm aralığı için artan azaltmak ise ölçüm gürültü daha büyük daha yüksek geçerli genlikleri, kayıt düşük çıktı kazanç sağlar seçimi.
  4. Yapılandırma kümesi için tüm cep telefonu β = 1. Bu değer daha sonra daha büyük genlik akıntılarının kayda izin 0,1 için açık olması.
  5. Tüm diğer denetim aramalar sıfıra veya nötr konuma ayarlayın.
  6. Yazılım masaüstü simgesine çift tıklatarak başlatın.
  7. Yapılandırması'nı tıklatın | Çizim tablası çizim tablası iletişim kutusunu açın ve sonra Değiştir düğmesini tıklatın.
  8. Değişim çizim tablası iletişim kutusunda, uygun Dijital dönüştürücü Dijital dönüştürücü türü seçin.
  9. Çizim tablası algılamak için Tara düğmesini tıklatın.
  10. Değişim çizim tablası iletişim kutusundan çıkmak için Tamam ' ı tıklatın ve sonra çizim tablası iletişim kutusundan çıkmak için Tamam ' ı tıklatın.
  11. Tıklayınız conşekil | Laboratuar tezgah.
  12. Laboratuar tezgah Giriş sinyalleri sekmesinde ölçek faktörü 0.0005 V/PA için ayarlayın.
    Not: Eğer kazanç veya β değerleri değişirse bu değeri güncelleştirilmesi gerekir.

12. pipet ofset

Not: aşağıda açıklanan yordamı yalnızca geçerli amplifikatör Malzemeler tabloiçinde belirtilen uygulanır.

  1. Bir micropipette kullanarak depozito 200 nL petrol altında her Ag/AgCl kablo uçları üzerine sulu lipid çözüm "A".
  2. Damlacıkları kişiye getirmek ve her iki elektrot kapsayan tek bir birim damlacıkları birleşim amplifikatör ön panelde ZAP düğmesine basın. Bu teşvik bir yanıt kısa devre.
  3. Küme kaynak-ölçüm mod kadranı izlenecek.
  4. Ön panel ekran arama Vparçaiçin değiştirin.
  5. Sıra PIPETTER ofset (saat yönünde veya saat yönünün tersine) metre okuma 0 mV kadar çevirin ve stabil.
  6. Kaynak-ölçüm mod kadranı V-kelepçe için döner ve ön panelindeki arama V/ibasılıtutuniçin görüntüler.

13. Lipid Bilayer oluşumu

  1. Daha önce elektrotlar petrol faz dışı dikey olarak hareket ettirerek tevdi damlacıkları serbest bırakın. Bu damlacıkları yağın içine elektrotlar düşmeye neden olur. Yeniden daldırın ve elektrotlar yağda konumlandırın.
  2. Micropipette depozito 200 için kullanın nL lipid çözüm "A" her tel.
  3. Her su/yağ arayüzü gerçekleşmesi spontan lipid monolayer derleme için izin vermek 3-5 dk bekleyin.
    Not: lipid monolayer biçimleri olarak, çevresindeki yağ yeterince daha az yoğun21ise sarkmaya damlacıkları neden olabilir su/lipid/yağ arabirimi yüzey gerilimi azalır.
  4. Daha düşük elektrotlar (ve damlacıkları) sonuna kadar her iki elektrot zar zor yağ haznesi (Şekil 1b) alt dokunun ve sonra onları yatay damlacıkları kişiye getirmek için hareket ettirin.
    Not: Lipid bilayer kendiliğinden Ekibine Ulaşarak damlacıklar arasında aşırı yağ hariç tutarak ince. Tipik olarak, bu işlem 1 dk içinde gerçekleşir.

14. biyomoleküler Memristor elektriksel karakterizasyonu

  1. Lipid Bilayer oluşumu
    1. Damlacıklar arasında elektrik kapasitans artışa karşılık gelen, lipid bilayer oluşumu kaydetmek için 10 Hz, yama kelepçe harici girişe bağlı bir işlev üreteci (şekil 4) kullanarak 10 mV üçgen dalga gerilim uygulamak amplifikatör.
      Not: lipid membran kapasitif doğası gereği, bir kare dalga formu (şekil 4) elde edilen geçerli yanıt olmalıdır. Lipid bilayer oluşumu sırasında adım 11,6, araştırmacı tepe tepe geçerli genlik bir artış görmek ve ayrıca bağlı damlacıkları (şekil 4) arasında görsel bir değişikliğe dikkat gerekir.
  2. Akım voltaj ölçümleri
    Not: Biyomoleküler memristor bir direnç ve bir kapasitör paralel12,21olarak modellenmiştir. Bu nedenle, aygıtın geçerli yanıt rezistif ve kapasitif bileşenlerine bağlı olarak uygulanan gerilim frekans içerebilir. Memristive doğa cihazın çalışma ve sıkışmış hysteretic akım-gerilim ilişkisi12edinmek için toplam geçerli kapasitif akımı çıkarmak gerekli olabilir. İletişim kuralı aşağıdaki bu yordamı açıklar.
    1. İşlev üreteci kullanarak, bir gerilim dalga formu (üçgen veya sinüs) çözüm "A" damlacıkları ile monte bir lipid alamethicin ücretsiz membran için geçerlidir.
    2. Kaydı birden fazla Frekanslar arasında indüklenen geçerli yanıt.
      Not: Kapasitif akımlar, 10 mHz altındaki frekansları en aza indirilir.
    3. İnterfacial lipid bilayer boyutunu her iki bilgisayarda lipid membran çapını ölçmek veya 10 Hz den, 10 mV üçgen dalga kaynaklanan tepe tepe geçerli genlik kaydı kaydedin. Geçerli genlik hangi sırayla membran bölgesine doğru orantılıdır membran kapasite ile doğru orantılıdır.
    4. Hiçbir alamethicin içeren damlacıklar kaldırın.
    5. Çözüm "C" kullanarak yeni sulu damlacıkları ekleyin ve lipid bilayer oluştururlar.
    6. Micromanipulators bilayer (çapı veya kare dalga geçerli genlik) benzer bir alanı daha önce oluşmuş bir vardır öyle ki damlacıklar arasında temas ayarlamak için kullanın.
    7. 14.2.1 ve 14.2.2 adımları yineleyin.
    8. Geçerli olarak kayıtlı adımından 14.2.2 geçerli 14.2.7 adımda kaydedilen çıkarma.
    9. Her frekans ve dalga "boğumlu histeresis" memristive yanıt elde etmek için uygulanan gerilim ile indüklenen mevcut arsa.
  3. Darbe deneyleri
    1. Bir özel programlama yazılımı ve analog voltaj kaynağı kullanarak, gerilim darbeleri belirli yüksek ve düşük genlikleri ile zamanında ve kapama süresi oluşturur.
      Not: Gerilim darbeleri ticari fonksiyon jeneratör kullanılarak oluşturulabilir, bu gerekli değildir.
    2. Yanıt olarak uygulanan bakliyat kaydı geçerli kayıt.
    3. Memristor kapasitif yapısı nedeniyle, kapasitif sivri kaydedilecektir. Sivri uygun passband ile bir alçak geçiren filtre uygulayarak kaldırın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Şekil 1 bir araya getiren ve biyomoleküler memristor karakterize için kullanılan deneysel Kur görüntüler. Ücretsiz sonuna elektrot yağ haznesi altına düşürülmesi 1b rakam, gösterildiği gibi elektrotlar ve özellikle durumlarda ölçülen akım ve bilayer alanın farklılığı neden olabilir damlacıkları titreşimleri en aza indirmek yararlı bulundu nerede ısıtma yağı konvektif akışı petrol oluşturabilirsiniz. Şekil 2 yordam ve Ag/AgCl teller,...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu kağıt için montaj ve biyomoleküler memristors iki yağda Su damlacıkları arasında oluşturulmuş iyon kanal katkılı sentetik biomembranes göre karakterize bir protokol sunar. Yumuşak-madde, iki-terminal aygıt tasarlanmış ve için eğitimi: yüksek gürültü, yüksek enerji tüketimi ve yüksek gerilim, geçiş 2) daha yakından kompozisyon, taklit gibi katı hal teknolojisi ile ilişkili 1) üstesinden kısıtlamaları yapısı mekanizmaları biyolojik sinapslarda ve 3 anahtarlama) mekanizmaları ve katı hal cihazlar tarafından sergilenen de...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu el yazması UT-Battelle, LLC, Sözleşme No altında tarafından kaleme ABD Enerji Bakanlığı ile DE AC0500OR22725. Amerika Birleşik Devletleri hükümeti korur ve Yayımcı, yayın, makale kabul ederek Amerika Birleşik Devletleri hükümeti yayımlamak veya yayımlanmış form üretmek için münhasır olmayan, Odenmis, geri alınamaz, dünya çapında lisans korur onaylar Bu makale, veya bunu, Amerika Birleşik Devletleri hükümeti amaçlar için başkalarına izin verme.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ulusal Bilim Vakfı Hibe NSF ECCS-1631472 tarafından mali destek sağlanan. G.J.T., C.D.S., A.B. için araştırma ve C.P.C. kısmen laboratuvar yönelik araştırma ve geliştirme programı, Oak Ridge National UT-Battelle, LLC, ABD Enerji Bakanlığı için yönetilen Laboratory, tarafından desteklenmektedir. Bu araştırma bir kısmını Nanophase malzeme bilimleri için bir DOE ofis, bilim kullanıcı tesis olan merkezinde yapılmıştır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
1,2-difitanoy-sn-glisero-3-fosfokolin (DPhPC)Avanti Polar Lipidler850356P/850356CLiyofilize toz (P) veya kloroform (C) 
Agaroz Sigma-AldrichA9539
Agaroz (0.5g Agaroz Tabletleri)BenchmarkA2501Toz formunu veya tabletleri kullanabilirsiniz 
Alametisin AG ScientificA-1286
Analitik terazi Mettler ToledoME204TE/00
Axopatch 200B Amplifikatör MolekülerCihazlar-BK
Precision 4017B 10 MHz DDs Süpürme/Fonksiyon ÜreteciDigi-KeyBK4017B-ND
Borosilikat CamKılcal Damarlar Dünya Hassas Aletler1B100F-4
Beyin Toplam Lipid Ekstraktları (Domuz)Avanti Polar Lipidler131101
DigiData 1440A sistemiMoleküler Cihazlar-
Tutucu / ısıtma bloğu ile ekstruder seti Avanti Polar Lipids610000Buna bir mini ekstrüder, 2 şırınga, 100 PC membran, 100 filtre desteği ve 1 tutucu/ısıtma bloğu
Dondurucu (-20 > C)VWR UluslararasıSCUCBI0420AD
ZüccaciyeVWRUluslararası-Hexadecane
,% 99Sigma-Aldrich544-76-3
İzopropil AlkolVWR UluslararasıBDH1133-4LP
Mikroelektrot Tutucu ve nbsp;Dünya Hassas AletlerMEH1S
MOPSSigma-AldrichM1254
Azot (N2< / sub>) GazAirgasUN1066
Parafilm M Çok Amaçlı Laboratuvar FilmiParafilmPM999
Pudrasız Yumuşak Nitril Muayene Eldivenleri VWR InternationalCA89-38-272
Önceden Temizlenmiş Mikroskop Sildes Fisher Bilimsel 22-267-013
Soğutucu (4 ° C)VWR InternationalSCUCFS-0504G
Gümüş telGoodFellow147-346-94Uygulamaya bağlı olarak farklı çaplar kullanılabilir 
Sodyum Klorür (KCl)Sigma-AldrichP3911
Karıştırma Sıcak PlakaThermo Scientific 
VWR Hafif Hizmet Tipi Doku SilecekleriVWR International82003-820
VWR Scientific 50D Ultrasonik TemizleyiciVWR International13089
SP131325

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Lipid ift Tabakas Olu umuAlametisin PeptitleriDamlac k Aray z ift TabakasD ng sel VoltametriAk m Gerilim li kisiK sa S reli PlastisiteLipozom Haz rlamaMembran Direnciyon Ta n m

İlgili makaleler