用有机电化学晶体管翻译细胞外电子转移活动

摘要

在这里，我们提出了一种使用有机电化学晶体管 （OECT） 将 Shewanella oneidensis 中的细胞外电子转移 （EET） 活性转化为电信号的方案。混合 OECT 系统具有更强的稳定性、灵敏度，并具有快速、高通量检测的潜力，使其成为 EET 测量的有效工具。

摘要

细胞外电子转移 （EET） 是某些微生物可以通过其细胞膜将电子转移到外部电子受体的过程，从而将细胞代谢与其环境联系起来。虽然 Geobacter 和 Shewanella 一直是 EET 研究的主要模型，但新兴研究表明，EET 活性物种也与发酵和人类肠道微生物组有关。利用 EET 桥接生物和电子系统的能力，我们提出了一种使用有机电化学晶体管 （OECT） 将微生物 EET 活性转化为易于检测的电信号的方案。该系统能够将细胞对外部刺激的反应用于生物传感和生物计算应用。具体来说，我们证明了 OECT 中 p 型聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）通道的去掺杂是由来自希 瓦氏菌的细胞 EET 驱动的。通过遗传回路转录控制 EET 通量，我们建立了这种混合 OECT 系统的生物传感能力，以检测化学刺激，例如诱导分子。此外，我们在细胞内引入了基于质粒的布尔逻辑门，使它们能够处理环境信号并驱动 OECT 中的电流变化，进一步展示了这些设备的生物计算潜力。这种方法在生物系统和电子学之间提供了一种新颖的接口，使未来的高通量筛选、生物传感和生物计算应用成为可能。

引言

能够将生物和化学活动转导和放大为电信号的设备在各个领域都至关重要，例如传感 ^1,2、神经形态计算 ^3,4 和可穿戴电子^{学 5}。其中，有机电化学晶体管 （OECT） 因其与水环境的兼容性和低工作电压而成为生物系统和电子读数器之间的特殊接口 ^6,7。OECT 与传统电子设备的不同之处在于，它利用电解质中的离子来调节有机通道的电导率，该通道耦合离子和电子传输以实现出色的跨导^{性 8}。这些特性使 OECT 成为生物系统与电子设备连接的理想选择，因为它们可以放大微弱的生物信号并将其转换为电读数。

OECT 的工作原理是通过离子扩散改变混合离子-电子导电通道的掺杂态，通常通过在栅极上施加电压来控制。然而，生物或氧化还原反应也可以改变通道的电导率，使 OECT 能够对各种化学和生物刺激做出反应。用脂质双层、离子通道或生物分子对 OECT 进行功能化，使其能够检测特定分析物，使其可用于....

研究方案

注意：所有化学品均按收到时的状态使用，未进一步纯化。如果没有说明，则使用分析级化学品。

1. OECT 器件制造

注意：OECT 是使用改编自先前工作²⁴ 的标准微加工技术在石英显微镜载玻片上制造的。如图 2A 所示，八个 OECT 器件排列在单个标准载玻片上。将预切的聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 片材放置在载玻片上，以形成 OECT 腔室和检修口。p 型导电聚合物聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）用于 OECT 通道和栅电极，通道尺寸为 150 μm x 10 μm，栅极尖端尺寸为 500 μm x 500 μm（ 图 2B）。 图 2C 提供了 OECT 通道制造和器件组装过程的摘要。

1. 金电极制造
   1. 用丙酮、异丙醇 （IPA） 和去离子 （DI） 水冲洗石英载玻片。用 N₂ 气体吹干。
   2. 用 50 sccm 和 150 W 进行 O₂ 等离子清洗，持续 12....

结果

拟合率常数 k
OECT 通道电流 I_DS 的拟合速率常数 k 是评估样品 EET 活性的可靠指标。虽然恒定的栅极偏置电压会影响速率常数，但我们选择 0.2 V 来确保正偏置，以促进细菌电子转移，同时避免在较高栅极电压下快速去掺杂，并提供和最小化细菌细胞上的电化学应力²³。选择漏极电压 -0.05 V 以确保可靠的电流?.......

讨论

电化学池 （EC） 比较
根据 OECT 通道电流拟合速率常数的一个主要优点是，它通过关注 I_DS 变化的基本动态而不是原始输出来最大限度地减少器件变化。与传统的电化学电池 （EC） 相比，这种方法结合了 OECT 固有的信号放大能力，增强了混合 OECT 系统的稳健性。例如，在每个 24 小时 OECT 实验结束时，通过将栅电极电压 V_GS 从 -0.1 扫描到 0.6 V .......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
3-oxohexanoyl-homoserine lactone	Sigma-Aldrich
anhydrotetracycline hydrochloride	VWR
casamino acids	VWR
Equipment
Ethylene glycol	Sigma-Aldrich		anhydrous 99.8%,
HEPES buffer solution	VWR		1 M in water, pH = 7.3
isopropyl ß-D-1-thiogalactopyranoside	Teknova
kanamycin sulfate	Growcells
Magnesium(II) sulfate heptahydrate	VWR
PEDOT:PSS aqueous suspension	Heraeus Epurio LLC	Clevios PH1000
Potassium phosphate dibasic	Sigma-Aldrich
Potassium phosphate monobasic	Sigma-Aldrich
Potentiostat	PalmSens BV	MultiPalmSens4
Quartz microscopic slides	AdValue	FQ-S-003
Quartz microscopic slides
Sodium chloride	VWR
Sodium DL-lactate	TCI		60% in water
Sodium fumarate	VWR		98%
Sulfuric acid	Sigma-Aldrich		95.0%-98.0%
Two-part silicone elastomer	Electron Microscopy Sciences	Sylgard184
Wolfe's Trace Mineral Mix	ATCC