Organik Elektrokimyasal Transistörler ile Hücre Dışı Elektron Transfer Aktivitelerinin Çevrilmesi

Araştırmamız, biyoalgılama ve biyobilgi işlem uygulamalarını genişletmek için bakteriyel hücre dışı elektron transferini veya EET'yi entegre eden biyoelektronik geliştirmeye odaklanmaktadır. EET'nin elektronik malzemelerle nasıl etkileşime girdiği, elektriksel performansı optimize etmek için EET'nin genetik olarak nasıl düzenleneceği ve canlı hücreleri içeren bu elektrokimyasal sistemlerde yeni ortaya çıkan özelliklerin olup olmadığı sorularına cevaplar arıyoruz. Bakteriyel HR hücresi veya elektron transferi araştırmalarındaki gelişmeler, EET yollarının mühendisliği için sentetik biyolojiyi, örneğin redoks izleme için elektrokimyasal sistemi ve hücre aktivitelerine mikroskopi, elektron akış analizi için atomik kuvvet mikroskobu ve makro elektrotları ve malzeme biyolojisi arayüz karakterizasyonu için İHA'lar Raman gibi gelişmiş spektroskopiyi kullanır.

Hastalık üzerinde gösterilen genetik mühendisliğin, OECT çıktılarını modüle edebileceğini ve biyolojik olarak yönlendirilen elektriksel tepkileri mümkün kılabileceğini gösteriyoruz. Bulgular arasında biyoelektronik performansı etkileyen doğrudan ve dolaylı EET yollarının gösterilmesi, genetik mantığın elektriksel sonuçlara bağlanması ve EET yoluyla genetik plastisitenin ayarlanması yer alıyor. Geleneksel OECT çalışmasıyla karşılaştırıldığında, canlı hücreler, hücre dışı elektron transferi yoluyla dinamik genetik olarak programlanabilir kontroller ve gerçek zamanlı yanıtlar için hücresel metabolizmalardan yararlanma yeteneği gibi avantajlar sunar.

Floresan raporlayıcılar kullanan geleneksel biyolojik devrelerle karşılaştırıldığında, OECT kullanıcıları yüksek hassasiyetle daha hızlı doğrudan elektriksel sonuçlar sağlar. Gelecekteki çalışmalarımız, EET'yi sürmek için genetik devreleri genişletmeyi ve elektroniğin EET gen ekspresyonunu modüle etmesini sağlamak için epigenetik veya optogenetik geliştirmeyi içerir. Ayrıca, sinir ağı eğitimi gibi uygulamalar için kontrol döngüleri oluşturmakla da ilgileniyoruz.

Son olarak, cihaz performansını daha fazla kontrol etmek için çeşitli OECT kanal malzemelerini ve mikroakışkanların dahil edilmesini ve oksijen üretimini enstitüye dahil etmeyi araştırıyoruz. Otoklavlamaya başlamak için organik elektrokimyasal transistör veya OECT slaytları, polidimetilsiloksan veya PDMS levhaları ve gümüş, gümüş klorür referans elektrodu. Otoklav bileşenlerini kurutmak için 80 derecede pişirin.

Otoklav OECT slaytlarını ve gümüş, gümüş klorür referans elektrodunu torpido gözüne aktarın. Sıkışan oksijeni desorbe etmek için PDMS tabakalarını torpido gözünün anti odasında dört saat boyunca vakuma tabi tutun. Ardından OECT cihazını monte etmek için PDMS sayfalarını OECT kızaklarının üzerine yerleştirin.

Her OECT odasına 45 mikrolitre Shewanella bazal ortamı veya SBM enjekte edin. Orta buharlaşmayı ve kirlenmeyi önlemek için OECT odası portlarını PDMS levhalarıyla kapatın. Sıfırdan 0,2 volta kadar bir geçit voltajı adımı için kanal akımı IDS'sini ölçerek ilk OECT elektrokimyasal ölçümüne başlayın.

Akım stabilize olana kadar OECT kanalı tahliye rotası akımını veya IDS'yi sabit bir kanal tahliye kaynağı voltajı veya eksi 0,05 voltluk VDS ve 0,2 voltluk kapı voltajı VGS altında izleyin. OECT kanalı akım IDS'sini ölçmek için cihaz kanalı birini yapılandırın. Teknik adını Hızlı Amperometri, dengeleme süresini bir saniye, dengeleme voltajını eksi 0,05 volt, önyargı voltajını eksi 0,05 volt, çalışma süresini 14 saniye ve örnekleme aralığını 0,5 milisaniye olarak ayarlayın.

Ardından, kapı voltajı VGS'yi kontrol etmek için cihaz kanalı iki'yi yapılandırın. Teknik adını Karışık Mod, koşul süresini bir saniyeye, koşul voltajını sıfır volta, birinci aşama modunu sabit E'ye, birinci aşama öngerilim voltajını sıfır volta ayarlayın. Bir çalışma zamanını dört saniyeye hazırlayın.

İkinci aşama modundan sabit E'ye, ikinci aşama öngerilim voltajı 0,2 volta. İkinci aşama çalışma süresi 10 saniyeye ve örnekleme aralığı 0,5 milisaniyeye kadar. Tüm OECT cihazlarına eksi 0,05 voltluk sabit bir kanal voltajı VDS ve 0,2 voltluk kapı voltajı VGS'si uygulayın.

Shewanella oneidensis süspansiyonunu 1500 3G'de dört dakika santrifüjleyin ve hücre peletini bir mililitre taze büyüme ortamı ile üç kez yıkayın. Son yıkamadan sonra, 600 ila 3.5 optik yoğunluğa sahip konsantre bir hücre süspansiyonu elde etmek için hücreleri 0.5 mililitre veya orijinal kültür hacminin yarısında yeniden süspanse edin. Konsantre hücre süspansiyonunu torpido gözüne aktarın.

Hücreleri amaçlanan 0.1 optik yoğunluğa seyrelterek, temizlenmiş medya stokları ile torpido gözünde taze hazırlanmış laktat ile desteklenmiş SBM + kullanarak aşıyı hazırlayın. Potansiyostatı durdurun. Hazırlanan inokulumdan beş mikrolitreyi, 0.01'lik bir nihai emilim elde etmek için 45 mikrolitre SBM içeren OECT odasına enjekte edin.

Orta buharlaşma ve kirlenmeyi önlemek için OECT odası portlarını PDMS levhalarıyla kapatın. Anaerobik kültürler için, Shewanella hücre kültürünü, büyüme ortamı ile aynı yapıya sahip bir seyreltme ortamı kullanarak on kat seyreltin. Potansiyostatı durdurduktan sonra, 45 mikrolitre SBM ortamı içeren OECT odasına beş mikrolitre anaerobik inokülum enjekte edin.

OECT odası bağlantı noktalarını PDMS sayfalarıyla kapatın. 24 saat boyunca eksi 0,05 volt kanal voltajı VDS ve 0,2 volt kapı voltajı VGS ile OECT kanallarına sabit öngerilim voltajları uygulayın. Potansiyel stat'ı yalnızca karakterizasyon için zaman noktası ölçümleri sırasında tek tek OECT cihazlarından ayırın.

İlk sekiz saat boyunca OECT kanalı doping durumundaki önemli değişiklikleri izleyin. 24 saat sonra, gümüş, gümüş klorür referans elektrodunu hafifçe çevirerek ve sıvı değişim portundan iterek OECT odasına yerleştirin. Eksi 0,05 voltluk sabit bir öngerilim VDS'si ile kanal akımı IDS'yi izlerken, kapı voltajını eksi 0,1 volttan 0,6 volta süpürerek OECT'nin transfer eğrilerini ölçün.

Eşzamanlı olarak, referans elektroduna karşı doğru geçit ve kaynak elektrot potansiyellerini ölçün. Kronoamperometri tekniğini kullanarak OECT kanal akımı IDS'sini ölçmek için cihaz kanalı birini yapılandırın. Dengeleme süresini beş saniyeye, dengeleme voltajını eksi 0,05 volta, önyargı voltajını eksi 0,05 volta, çalışma süresini 35 saniyeye ve örnekleme aralığını 0,09915 saniyeye ayarlayın.

Ardından, doğrusal süpürme voltametrisi kullanarak OECT kapısı voltajı VGS'yi kontrol etmek için cihaz kanalı iki'yi yapılandırın. Dengeleme süresini beş saniyeye, dengeleme voltajını eksi 0,1 volta ayarlayın. Voltajı eksi 0,1 volta kadar başlatın.

Voltajı 0,6 volta getirin. Voltaj kademesi 0,002 volta ve tarama hızı saniyede 0,02 volta kadar. Açık Devre Potansiyometrisi kullanarak gümüş, gümüş klorür referans elektroduna karşı OECT kaynak potansiyeli VS'yi ölçmek için cihaz kanalı üçünü yapılandırın.

Çalışma zamanını 40 saniyeye ve örnek aralığını 0,09915 saniyeye ayarlayın. Açık Devre Potansiyometrisi kullanarak referans elektroduna karşı OECT kapısı potansiyeli VG'yi ölçmek için cihaz kanalı dördünü yapılandırın. Çalışma süresini 40 saniyeye ve örnekleme aralığını 0,09915 saniyeye ayarlayın.

Her ölçümden sonra referans elektrodu %70 etanol ile durulayın ve yeni ve tüy bırakmayan yeni bir havluyla silin. Elektron transfer aktivitesi için takılan hız sabitleri, vahşi tip S.oneidensis MR-1'e kıyasla azaltılmış sabitler gösteren Delta MtrC ve Delta MTR mutantları ile suşlar arasında önemli farklılıklar gösterdi. Mutantların MtrC veya MTRC AB ile tamamlanması, indükleyici koşulları altında oranları vahşi tip seviyelere geri getirdi.

OECT kanal akımı, drenaj kaynak akımı ve normalleştirilmiş drenaj kaynak akımı ile elektron transfer aktivitesinin hızlı bir şekilde tespit edildiğini gösterdi ve aşılamadan sonraki 1.5 saat içinde suşlar arasında istatistiksel olarak anlamlı farklılıklar gösterdi. Abiyotik kontroller ve indüklenmemiş mutantlar, hibrit sistemin hassasiyetini güçlendiren minimal değişiklikler gösterdi.