用有机电化学晶体管翻译细胞外电子转移活动

我们的研究重点是开发集成细菌细胞外电子转移或 EET 的生物电子学，以扩展生物传感和生物计算应用。我们正在寻求 EET 如何与电子材料相互作用、如何遗传调节 EET 以优化电气性能以及这些包含活细胞的电化学系统中是否有新的新兴特征的答案。细菌 HR 细胞或电子转移研究的进步使用合成生物学来设计 EET 途径，例如使用电化学系统进行氧化还原监测，并使用显微镜来监测细胞活动，进行原子力显微镜和大电极进行电子流分析，并使用无人机等高级光谱法进行材料生物学界面表征。

我们证明，疾病上显示的基因工程可以调节 OECT 输出，从而实现生物驱动的电反应。研究结果包括阐明影响生物电子学性能的直接和间接 EET 途径、将遗传逻辑与电结果耦合以及通过 EET 调整遗传可塑性。与传统的 OECT 工作相比，活细胞具有优势，例如通过细胞外电子转移进行动态遗传可编程控制，以及利用细胞代谢进行实时响应的能力。

与使用荧光报告基因的传统生物电路相比，OECT 用户可以提供更快的直接电学结果和高灵敏度。我们未来的工作包括扩展遗传回路以驱动 EET，并开发表观遗传学或光遗传学，使电子设备能够调节 EET 基因表达。我们还对为神经网络训练等应用程序创建控制循环感兴趣。

最后，我们正在探索多样化的 OECT 通道材料，并纳入微流体和制氧技术，以进一步控制设备性能。首先高压釜有机电化学晶体管或 OECT 载玻片、聚二甲基硅氧烷或 PDMS 片材以及银、氯化银参比电极。在 80 摄氏度下烘烤高压灭菌器组件以干燥它们。

将高压灭菌器 OECT 载玻片和银、氯化银参比电极转移到手套箱中。将 PDMS 片材在手套箱的反室中真空 4 小时，以解吸滞留的氧气。然后要组装 OECT 设备，请将 PDMS 片材放在 OECT 载玻片上。

将 45 微升希瓦氏菌基础培养基或 SBM 注入每个 OECT 腔室。用 PDMS 片材覆盖 OECT 腔室端口，以防止介质蒸发和污染。通过测量从 0 到 0.2 V 的栅极电压步长的通道电流 IDS 开始初始 OECT 电化学测量。

在恒定通道漏源电压或负 0.05 伏的 VDS 和 0.2 伏的栅极电压 VGS 下监测 OECT 通道漏极电流或 IDS，直到电流稳定下来。配置仪器通道 1 以测量 OECT 通道电流 IDS。将技术名称设置为快速安培法，平衡时间为 1 秒，平衡电压为负 0.05 伏，偏置电压为负 0.05 伏，运行时间为 14 秒，采样间隔为 0.5 毫秒。

接下来，配置仪器通道 2 以控制栅极电压 VGS。将技术名称设置为混合模式，条件时间设置为一秒，条件电压为零伏，第一阶段模式为常数 E，第一阶段偏置电压为零伏。将 1 个运行时间暂存为 4 秒。

第二级模式到常数 E，第二级偏置电压到 0.2 伏。第二阶段的运行时间为 10 秒，采样间隔为 0.5 毫秒。对所有 OECT 器件施加负 0.05 伏的恒定通道电压 VDS 和 0.2 伏的栅极电压 VGS。

将 Shewanella oneidensis 悬液以 1500 3G 离心 4 分钟，然后用 1 mL 新鲜生长培养基洗涤细胞沉淀 3 次。最后一次洗涤后，将细胞重悬于 0.5 毫升或原始培养体积的一半中，以获得光密度为 600 的 1 至 3.5 的浓缩细胞悬液。将浓缩的细胞悬液转移到手套箱中。

使用补充有乳酸盐的 SBM+，将细胞稀释至预期的光密度 0.1，制备接种物，该乳酸盐在手套箱中新鲜制备，并带有清除的培养基储备。停止恒电位仪。将 5 微升制备的接种物注入含有 45 微升 SBM 的 OECT 腔室中，以达到 0.01 的最终吸光度。

用 PDMS 片材覆盖 OECT 腔室端口，以避免介质蒸发和污染。对于厌氧培养物，使用与生长培养基具有相同构成的稀释培养基将 Shewanella 细胞培养物稀释 10 倍。停止恒电位仪后，将 5 微升厌氧接种物注入 OECT 室中，其中含有 45 微升 SBM 培养基。

用 PDMS 片材覆盖 OECT 腔室端口。将恒定偏置电压施加到 OECT 通道，通道电压 VDS 为负 0.05 伏，栅极电压 VGS 为 0.2 伏，持续 24 小时。仅在时间点测量期间断开电位与单个 OECT 器件的连接以进行表征。

在最初的 8 小时内监测 OECT 通道掺杂状态的显著变化。24 小时后，轻轻扭动并推动银氯化银参比电极穿过液体交换端口，将其插入 OECT 腔室。通过将栅极电压从负 0.1 伏扫描到 0.6 伏，同时用负 0.05 伏的恒定偏置电压 VDS 监控通道电流 IDS，来测量 OECT 的传输曲线。

同时，对照参比电极测量精确的栅极和源极电位。配置仪器通道 1 以使用计时安培技术测量 OECT 通道电流 IDS。将平衡时间设置为 5 秒，平衡电压为负 0.05 伏，偏置电压为负 0.05 伏，运行时间为 35 秒，采样间隔为 0.09915 秒。

然后配置仪器通道 2，以使用线性扫描伏安法控制 OECT 栅极电压 VGS。将平衡时间设置为 5 秒，平衡电压为负 0.1 伏。起始电压为负 0.1 伏。

结束电压为 0.6 伏。电压步长为 0.002 伏，扫描速率为每秒 0.02 伏。配置仪器通道 3，使用开路电位法测量 OECT 源电位 VS 与氯化银参比电极的对比。

将运行时间设置为 40 秒，采样间隔设置为 0.09915 秒。配置仪器通道 4，使用开路电位法测量参比电极的 OECT 栅极电位 VG。将运行时间设置为 40 秒，采样间隔设置为 0.09915 秒。

每次测量后，用 70% 乙醇冲洗参比电极，然后用新的低绒毛巾擦拭。电子转移活性的拟合速率常数显示菌株之间存在显着差异，与野生型 S.oneidensis MR-1 相比，Delta MtrC 和 Delta MTR 突变体显示降低的常数。在诱导剂条件下，用 MtrC 或 MTRC AB 补充突变体将速率恢复到野生型水平。

OECT 通道电流表明，在接种后 1.5 小时内，漏源电流和归一化漏源电流快速检测电子转移活性，菌株之间显示出统计学上的显着差异。非生物对照和未诱导的突变体显示出最小的变化，增强了杂交系统的敏感性。