Diese Forschung wurde durch Plymouth University School of Humanities und darstellende Kunst finanziert. Die Autoren möchten Functionalize anerkennen, für die Bereitstellung von Proben von ihren leitenden PLA.

1. Herstellung von 3D gedruckt-Buchse <ol><li>Kammern, Deckel und Unterteil <ol><li>Last ein 3D Drucker mit High-Impact Polystyrol (HIPS) mithilfe der Druckerschnittstelle Druckbett Temperatur auf 85 ° C einstellen und dem Extruder bis 230 ° C. Wenn die Temperaturen erreicht sind, lösen Sie die Spannrolle Arm, legen Sie das Filament und herunterdrücken Sie, bis es anfängt zu extrudieren aus dem heißen Ende. Dann ziehen Sie den Faden idler Arm und entfernen Sie das extrudierte Material.</li>
		<li>Importieren die 3D Aufnahme-STL-Modell-Datei in eine 3D Druck schneiden Software, die normalerweise durch Navigieren auf der Registerkarte "Datei" und wählen Sie importieren/öffnen-Optionen ( Abbildung 2) erreicht werden kann.</li>
		<li>Wenn schneiden Software hohe und niedrige Qualität Druckeinstellungen bietet wählen Sie hohen Qualität zu gewährleisten, dass das richtige Material Profil ausgewählt ist. 
		Hinweis: Wenn mehrere Gefäße in einem Arbeitsgang Drucken ist darauf achten, dass die Software soll jedes Objekt einer gleichzeitig drucken. Wenn dieser Schritt übersprungen wird, die Druckqualität kann reduziert werden, die werden wahrscheinlich Toleranz Probleme verursachen, wenn die Teile zusammen passen.</li>
		<li>Sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist, warten Sie, bis die Druckbett Temperatur unter 50 ° C ist es, die Teile zu entfernen.</li>
		<li>Mit einem dünnen Draht Pinsel sanft klar die Elektrode-Buchse der Mängel, die Hindernisse verursachen können, wenn die Kammer mit einer Elektrode passend.</li>
	</ol></li> <li>Elektroden <ol><li>ersetzen die Hüften Filament für eine Reinigung Filament und laufen viel des Materials durch den Druckkopf.</li>
		<li>Legen Sie den Drucker mit einer elektrisch leitfähigen Polymilchsäure Säure (PLA) Filament, das eine Volumen-Widerstand von 0,75 Ω-cm oder weniger hat.</li>
		<li>Stellen die Druckbett Temperatur auf 60 ° C und dem Extruder bis 230 ° C (siehe Schritt 1.1.1 zur Orientierung).</li>
		<li>, Wenn die Temperaturen erreicht sind, Extrudieren einige Zentimeter des Fadens durch den Druckkopf. Dieser Prozess wird sichergestellt, dass alle Partikel aus früheren Sitzungen entfernt werden.</li>
		<li>Mit einer 3D Druck schneiden Software, laden Sie die Elektrode STL Datei ( Abbildung 3).</li>
		<li>In den Druckeinstellungen Folgendes angeben: Layer-Höhe = 0,16 mm, Wandstärke = 1,7 mm, unten/oben Dicke = 0,74 mm, Füllung Dichte = 100 % ( Abbildung 4).</li>
		<li>Wenn Drucken mehrere Elektroden in einem Lauf, stellen Sie den Drucker einzeln nacheinander drucken.</li>
		<li>Lassen, einmal gedruckt, die Elektroden auf das Druckbett bis sie auf Raumtemperatur abgekühlt haben. Dadurch wird sichergestellt, das Teil nicht verzogen und deformierte werden.</li>
	</ol></li> <li>Buchse Montage <ol><li>Schlitz eine Elektrode in jede der beiden Kammern. Wenn Schritt 1.1.5 korrekt abgeschlossen ist, sollten die Elektroden in die Kammern ohne viel Kraft gehen.</li>
		<li>Mit einem scharfen Skalpell schneiden Sie ein Stück 10 mm Polyvinylchlorid (PVC) Schläuche (Innendurchmesser 4 mm und 6 mm Außendurchmesser) kümmert sich um sicherzustellen, dass jedem Ende gerade und sauber geschnitten wird.</li>
		<li>Sanft jedes Ende der 10 mm PVC-Schlauch über den Rand der zwei Elektroden zu erleichtern.</li>
		<li>Einmal angeschlossen, die beiden Kammern clip in der Base.</li>
	</ol></li></ol> 2. Gefäß-Vorbereitung und p. Polycephalum Impfung <ol><li>2 % Agar mittlere Vorbereitung <ol><li>2 g-Nährstoff mikrobiologische Agar Pulver in einen 250-mL-Glasflasche genommen.</li>
		<li>100 mL entionisiertem Wasser hinzufügen und gut verrühren.</li>
		<li>Autoklaven der Flasche für 12-15 min bei 121 ° C oder Platz in einem kochenden Wasserbad für 15-20 min.</li>
	</ol></li> <li>Einstellung der Agar-Substrat in die Urne &#39; s Kammern <ol><li>Agar mit einem Wasserbad oder in der Mikrowelle schmelzen.</li>
		<li>Füllen Sie eine 2-mL-Pipette mit geschmolzenen Agar.</li>
		<li>Das Gefäß zu füllen &#39; s Kammern durch die Spitze der Pipette ca. 5 mm über die interne Basis schweben und langsam füllt die Brunnen bis zum Boden der Verbindung Rohr Loch.</li>
		<li>Sofort nach dem Befüllen der Brunnen, Deckel auf jede der Kammern und das Gefäß beiseite, bis der Agar gesetzt und Raumtemperatur erreicht hat.</li>
	</ol></li> <li>P. Polycephalum Impfung <ol><li>legen eine Hafer-Flocken in jede der beiden Kammern.</li>
		<li>Eine 2 mL-Blob Scheinfüßchen aus einem ausgehungerten entfernen (ca. 12 h) Kultur von Plasmodium und legen Sie sie in einer der beiden Kammern. Um schnelles Wachstum zu fördern, versuchen, das Protoplasma aus den aktivsten anterior des Organismus zu nehmen.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol>
	<li>Chua, L. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memristor-The+Missing+Circuit+Element.">Memristor-The Missing Circuit Element.</a> IEEE Transactions on Circuit Theory. 18 (5), 507-519 (1971).</li><li>Trefzer, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memristor+in+a+Nutshell.">Memristor in a Nutshell.</a> Guide to Unconventional Computing for Music. , 159-180 (2017).</li><li>Strukov, D. B., Snider, G. S., Stewart, D. R., Williams, R. 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A., Martinsen, &. #. 2. 1. 6. ;. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memristive+properties+of+electro-osmosis+in+human+sweat+ducts.">Memristive properties of electro-osmosis in human sweat ducts.</a> World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, September 7-12, 2009, Munich, Germany. , 696-698 (2009).</li><li>Gale, E., Adamatzky, A., de Lacy Costello, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Slime+Mould+Memristors.">Slime Mould Memristors.</a> BioNanoScience. 5 (1), (2014).</li><li>Braund, E., Sparrow, R., Miranda, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physarum-based+memristors+for+computer+music.">Physarum-based memristors for computer music.</a> Advances in Physarum Machines. , 755-775 (2016).</li><li>Daniel, J. W., Rusch, H. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+pure+culture+of+Physarum+polycephalum+on+a+partially+defined+soluble+medium.">The pure culture of Physarum polycephalum on a partially defined soluble medium.</a> Journal of General Microbiology. 25 (1901), 47-59 (1961).</li><li>Adamatzky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physarum+wires:+Self-growing+self-repairing+smart+wires+made+from+slime+mould.">Physarum wires: Self-growing self-repairing smart wires made from slime mould.</a> Biomedical Engineering Letters. 3 (4), 232-241 (2013).</li><li>Tarabella, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+hybrid+living/organic+electrochemical+transistor+based+on+the+Physarum+polycephalum+cell+endowed+with+both+sensing+and+memristive+properties.">A hybrid living/organic electrochemical transistor based on the Physarum polycephalum cell endowed with both sensing and memristive properties.</a> Chemical Science. 6 (5), 2859-2868 (2015).</li><li>Braund, E., Miranda, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+Building+Practical+Biocomputers+for+Real-world+Applications:+Receptacles+for+Culturing+Slime+Mould+Memristors+and+Component+Standardisation.">On Building Practical Biocomputers for Real-world Applications: Receptacles for Culturing Slime Mould Memristors and Component Standardisation.</a> Journal of Bionic Engineering. 14 (1), 151-162 (2017).</li><li>Walter, X. A., Horsfield, I., Mayne, R., Ieropoulos, I. A., Adamatzky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+hybrid+circuits+exploiting+thermistive+properties+of+slime+mould.">On hybrid circuits exploiting thermistive properties of slime mould.</a> Scientific reports. 6, (2016).</li><li>Romeo, A., Dimonte, A., Tarabella, G., D'Angelo, P., Erokhin, V., Iannotta, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+bio-inspired+memory+device+based+on+interfacing+Physarum+polycephalum+with+an+organic+semiconductor.">A bio-inspired memory device based on interfacing Physarum polycephalum with an organic semiconductor.</a> APL materials. 3 (1), (2015).</li><li>Whiting, J. G., de Lacy Costello, B., Adamatzky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transfer+function+of+protoplasmic+tubes+of+Physarum+polycephalum.">Transfer function of protoplasmic tubes of Physarum polycephalum.</a> Biosystems. 128, 48-51 (2015).</li></ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Dieser Vortrag ist einer Methode für den Anbau von Memristoren aus Myxomycete p. Polycephalum. Der Organismus wird in 3D gedruckte Gefäße angebaut, die konzipiert wurden, um einige Einschränkungen zu überwinden, die mit der Umsetzung der Bio-Memristoren verbunden sind. Solche Beschränkungen sind Rüstzeit, Probe Wachstumszeit und fehlende Standardisierung für Probe zu Probe Wachstumsbedingungen und elektrische Beobachtungen.
Unsere Behälter wurde zuerst im Jahr 2015 in den gedruckten Werbematerial für die Halbinsel Kunst zeitgenössische Musik Festival 2016 (PACMF) und die jeweiligen Website15offenbart. Hier war unsere Technologie verwendet, um interaktive Musik Hybridsystem Hardware-Bioware zu entwickeln, geeignet zur Erzeugung von musikalischen Begleitungen zu einem live-Musiker war. In Referenz14wir berichteten über die umfangreiche Tests von unserer Behälter und verglich die Ergebnisse gegen den früheren Ansätze9,10. Im Anschluss an diese Entwicklungen eine andere Gruppe von Forschern untersucht anschließend schaffen Wachstum Umgebungen um den Organismus Thermistive Eigenschaften16zu studieren, aber diese sind nicht identisch mit Memristive Eigenschaften. Es, jedoch wurden nur zwei andere Versuche zur Entwicklung eines kontrollierten Ansatzes für die Implementierung von p. Polycephalum Memristoren13,17. In diesen Experimenten Brunnen wurden aus einem gelartigen biokompatible Elastomerwerkstoff Polydimethylsiloxan (PDMS) genannt, und Elektroden wurden mit verschiedenen Metallen oder Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (Ausbildungsstellen) erstellt. Obwohl diese Materialien in der Elektronik, Mikrofluidik und bionic Engineering routinemäßig verwendet werden, sie sind teuer und erfordern einiges an Fachwissen zu verwenden. Z. B. muss Ausbildungsstellen Spin-Coating und doping seine Leitfähigkeit zu verbessern. Daher sind die Techniken außerhalb der Reichweite für Menschen, die keinen Zugang zu spezialisierten Ressourcen. Die Gefäße, die in diesem Artikel vorgestellten verwenden Sie Methoden und Materialien, die leicht zugänglich und billig sind. Darüber hinaus bietet das Design eine gastfreundliche Umgebung für das Plasmodium, Lebensraum, die im Gegensatz zu den anderen p. Polycephalum Memristor Prototypen wo wurde kein Versuch unternommen ist, die Zelle für jeden beliebigen Zeitraum hinweg lebendig zu halten.
Bisher war es schwierig einheitliche spannungs-Messungen mit bisherigen Methoden zur Kultivierung des Organismus auf Petrischalen (Abbildung 5, links). Unsere Methoden dieses Szenario deutlich verbessert (Abbildung 6). Die Ergebnisse unserer Aufnahme Tests haben gezeigt, dass das Design hat Wachstumszeit verringert, Lebensdauer erhöhte, Komponente Antworten standardisierte und eine geschützte Mikroumgebung erstellt um den Organismus zu Kapseln. Darüber hinaus bietet das Gerät machbar Mittel den Organismus als Komponente eines elektrischen Systems zu integrieren.
Die vorgestellte Methode lindert eine Reihe von Fragen im Zusammenhang mit der Nutzung von p. Polycephalum Memristors in elektrischen Anlagen. Es gibt jedoch Einschränkungen, die weitere Forschung und Entwicklung benötigen. Erstens kann Kondensation auf den Verbindungsschlauch Innenfläche sammeln, wenn die Gefäße eine schnelle Änderung der Temperatur ausgesetzt sind oder wenn eine hohe für lange Laufzeiten Spannung. Letzteres ist aufgrund der hohen Widerstandskraft des Organismus verursachen elektrischen Energie in Wärme übertragen werden. Falls von Bedeutung, kann die Kondensation einen niedrigen resistent Weg zwischen den beiden Elektroden an beiden Enden der Verbindungsschlauch erstellen. Diese Einschränkung kann effektiv verwaltet werden, indem sichergestellt wird, dass die Memristoren nicht überlastet werden. Zweitens kann der Gesamtwiderstand des Memristors hergestellt unter Verwendung der vorgestellten Methode von Komponente zu Komponente variieren. Ein solches Phänomen möglicherweise ein Ergebnis des Ansatzes den Außendurchmesser des protoplasmische Rohres nicht einschränken. Daher müssen Benutzer eine Kalibrierung in ihrer Anwendung die Memristoren zu integrieren.
Dank dieser Methodik können wir jetzt beginnen, die biologischen Prozesse zu studieren, die Memristive Beobachtungen in p. Polycephalumverursachen. Es ist wahrscheinlich, dass solche Prozesse dynamischer Parameter haben, die wir nutzen können um das Element Nutzung zu erweitern. Wir haben begonnen, laufen einige Vorversuchen wo sind extrazelluläre Ionenkonzentrationen geändert, um zu überprüfen, wenn Spannung gated Ionenkanäle in Memristance eine Rolle spielen.
Die vorgestellten Behälter wurden ausschließlich für die Durchführung von p. Polycephalum Memristoren entwickelt. Diese Geräte dürften jedoch verwendet darüber hinaus der Umsetzung einer einzelnen Komponente haben. Beispielsweise wurde in Referenzen12,18, das protoplasmische Rohr als selbstorganisierende und selbstreparierend biologische Draht untersucht. In beiden diesen Untersuchungen geäußert die Forscher, dass weitere Arbeit nötig war, um Methoden der wachsenden protoplasmische Rohres nach einem Schema zu etablieren. Die Gefäße in diesem Papier vorgelegt stellen eine Methode der Abgrenzung der Produktion des Rohres zwischen zwei oder möglicherweise mehr Punkte. Abbildung 7 zeigt zwei Fotografien illustriert, dass die Gefäße verwendet werden, um gesunde Rohre bei Längen wachsen mehr als 100 mm. In Referenz18wurde die Übertragungsfunktion des protoplasmische Rohres untersucht. Ergebnisse aus dieser Untersuchung zeigten, dass der Agar benötigt, um die Rohre wachsen ein Problem verursachen, wenn der Organismus wurde in einer elektrischen Anlage integriert werden. Dies ist auf das Substrat Kapazität. Die hier vorgestellten Behälter erfordern noch Agar, Luftfeuchtigkeit hoch zu halten. Jedoch mit kleinen Änderungen an der Steckdose Design ist es möglich, eine abnehmbare Rohr erstellen. Diese Einrichtung kann für die Röhre aus den Kammern getrennt werden, sobald Wachstum vollständig und in einem elektrischen System abgeschnitten ist. Darüber, sobald das Rohr Gesundheit zu verschlechtern beginnt, könnte es wiederhergestellt werden zu neuen Kammern für Essen und Erholung bis es selbst repariert hat und wieder verwendet werden kann. Abbildung 8 zeigt ein Foto von langen Röhren, die aus den Kammern getrennt wurden. Zukünftige Forschung ist notwendig, um das protoplasmische Rohr elektrischen Eigenschaften ohne die Agar und wenn bei Längen unter Verwendung der vorgestellten Methode gewachsen zu untersuchen.

Heutige Computer werden mit den drei zwei-Terminal grundlegende passive Schaltkreiselemente gebaut: der Kondensator, der Widerstand und die Induktivität. Passive Elemente sind nur in der Lage, zerstreuen oder Speicherung von Energie, nicht generieren. Diese Elemente wurden 18th und19. Jahrhundert gegründet und sind verbunden durch Maxwell Gleichungen. Wir definieren diese drei Schaltungsteile in Bezug auf ihre Beziehung zwischen zwei der vier Schaltung Variablen nämlich Strom (I), Spannung (V), Ladung (Q) und Flux-Gestänge (φ). Die Ladung ist das Zeitintegral des Stromes und Faradaysches Gesetz definiert die Spannung als das Zeitintegral des Flussmittels. So ein Kondensator zeichnet sich durch eine Beziehung zwischen Spannung und Ladung ein Widerstandes zeichnet sich durch eine Beziehung zwischen Spannung und Strom und die Induktivität ist definiert durch eine Beziehung zwischen Fluss und aktuelle. Seit mehr als einem Jahrhundert wurden diese Elemente ein Eckpfeiler der Elektronik. Sie stellen jedoch nur drei der möglichen vier Beziehung-Paare zwischen den Stromkreis Variablen, so dass Flussmittel-Gestänge und kostenfrei aufgehoben. 1971 veröffentlichte Leon Chua ein Papier1 wo er postuliert, dass gab es ein fehlende viertes Element, das die verbleibenden zwei Variablen verknüpft er die Memristor genannt. Der Memristor kann werden beschrieben als Widerstand, die seine Geschichte, daher erinnert die Kontraktion "Speicher Widerstand." Dieses Element funktioniert durch seinen Widerstand entsprechend der Größenordnung der vorher angelegten Spannung sowie deren Dauer zu verändern. Darüber hinaus behält der Memristor seinen letzten Widerstand Zustand, sobald die Spannung nicht mehr angewendet wird. Im Gegensatz zum Kondensator, Widerstand und Induktivität ist der Memristor Verhalten nichtlinear, die ist offensichtlich in seinem-V-Profil, wo eine eingeklemmter Hysteresenschleife unter einer Wechselspannung gebildet. Diese Schleife hat die Form einer Lissajous-Figur mit zwei senkrechten Schwingungen von hohen und niedrigen beständig Staaten. Vor Chuas formalisiertes Memristance Theorie hatten andere Forscher auf Memory-Widerstand-Effekte bei bestimmten Frequenzen berichtet, beim Experimentieren mit Materialien wie Polymere und Metalloxiden, zusammen mit der Entwicklung von elektrischer Geräten bei der Mikrometer Maßstab2. In vielen Fällen wurden diese Effekte jedoch unerwünscht betrachtet. Es dauerte fast vierzig Jahre für Chuas Formalisierung ein physisches Gerät verbunden werden und Forscher beginnen, Entwicklung von Methoden der Nutzung Memristive Effekte. Ein Team an den HP Laboratories gelang es Herstellung ein Memristive Gerät in 20083 , die großes Interesse an das Element gezündet.
Informatiker haben ein großes Interesse an der Memristor aufgrund seiner Gutschrift als erstes Element, Verarbeitung und Speicher Fähigkeiten in einer Einheit zu verbinden. Es zeigt auch Verhaltensweisen, die analog sind, bestimmte neurologische Prozesse wie Spike-Timing-abhängigen Plastizität (STDP)4, um nur eine zu nennen. Solche Verhaltensweisen sind was zu Perspektiven für den Bau von Gehirn-wie-computing-Technologien, die die Unterscheidung zwischen Speicher und zentrale Recheneinheit (CPU)5verzichten. Im Gegensatz zu der beliebten Ansätzen zur Entwicklung von Memristoren (TiO2, z. B. mit) ist unser Ziel, eine organische Bio-Memristor zu entwickeln. Darüber hinaus sind wir interessiert, wie diese Komponente erkunden Paradigmen über konventionelle Ansätze für technische Geräte zur Verfügung zu stellen kann; z.B., kreative Anwendungen im Bereich der Computer-Musik-6.
Memristance ist ein Effekt, den Forscher kürzlich in einer Reihe von biologischen Systemen gefunden haben. Beispielsweise wurden in Aloe Vera Pflanzen7 und menschliche Haut8, zitieren nur zwei Memristive Eigenschaften beobachtet. Diese Entdeckungen zeigen, dass es möglich eventuell, Verarbeitung und Speicher-Geräte auf biologische Substrate zu implementieren. Nutzung von biologischen Systemen in Technologie können uns spannende Konzepte zu erkunden wie Selbstorganisation, Selbstreparatur, geringe Umweltbelastung und selbst einschalten. Bevor wir jedoch diese Möglichkeiten untersuchen können, müssen einige Herausforderungen angegangen werden. Viele biologische Systeme, die Memristive Eigenschaften haben erhebliche Einschränkungen, die ihre Existenz als eine tatsächliche elektronische Komponente zu begrenzen. Zum Beispiel ein Aloe Vera Blatt7 braucht Licht, hat eine begrenzte Lebensdauer und wäre schwierig, in einer Schaltung zu integrieren. Darüber hinaus sind wie menschlichen Schweiß8Kanäle mehrere andere in Vivo Memristive Phänomene, nicht derzeit Machbaren Möglichkeiten zur Entwicklung von Systemen für den Einsatz außerhalb des Labors und in täglichen elektronischen Systemen. Aller Memristive Phänomene, ist jedoch ein potenzieller Kandidat: p. Polycephalum.
Das Plasmodium von p. Polycephalum ist ein amorphes einzelligen System, die entdeckt wurden, als eine Memristive Komponente9,10handeln. Dieser Organismus ist ein idealer Kandidat für die Forschung in der Hybrid-Hardware-Wetware Elektronik für eine Reihe von Gründen. Erstens der Organismus ist nicht-pathogene, makroskopischen und erfordert keine spezialisierte Ausrüstung verwenden, die das Plasmodium für Ingenieure und nicht-Biologen zugänglich macht. Zweitens die Zelle ist amorph, bildet Netzwerke von Draht-wie Adern und wächst auf den meisten Substraten (Abbildung 1). Diese Eigenschaften erlauben die Zellmorphologie leicht abgegrenzt werden, um eine herkömmliche elektrische Schema entsprechen. Es gibt auch Untersuchungen, die zeigen, dass das Plasmodium für mehr als vier Jahre11Leben kann, und dass seine Adern als selbstreparierenden leitfähige Bahnen12dienen können. Mehrere Untersuchungen im Labor bestätigten den Organismus Memristive Fähigkeiten9,10,13 , und jetzt ist die Zeit reif, sein Potenzial zu erforschen.
Die Idee der Verwendung von P. Polycephalum Memristoren ist relativ neu. Infolgedessen gibt es keine etablierte Standards zur Messung und Beobachtung ihrer elektrischen Eigenschaften. Diese mangelnde Einheitlichkeit in experimentellen Verfahren innerhalb der gleichen Forschergruppe und zwischen Gruppen möglicherweise, dass der Grund, es Ungereimtheiten unter gibt, Ergebnisse9,10veröffentlicht. Es ist wahrscheinlich, dass solche Variation prominenteste Beispiel Wachstumsbedingungen und Handhabung ist. So müssen wir Verfahren zur Herstellung und Prüfung p. Polycephalum Memristoren Faktoren, die möglicherweise zu Fehlern führen besser sind gesteuert und überwacht.  Darüber hinaus müssen wir zum Erstellen von Methoden für die Umsetzung von p. Polycephalum Memristors, die eine stabile und einfache Integration in elektrischen Anlagen ermöglichen.
In diesem Whitepaper vorgestellte Methode bietet eine Plattform für Erforschung von praktischen Anwendungen von p. Polycephalum Memristoren indem Sie Mittel der Einbeziehung des Organismus als Komponente in einen Schaltplan. Es ist wahrscheinlich, dass diese Techniken für Ingenieure, die reale Nutzung der Hardware-Wetware Hybridsysteme erkunden ansprechen werden. Darüber hinaus ist es für nicht-Experten (z.B. elektronische Prototyping OpenSource-Enthusiasten) zugänglich, die möglicherweise Interesse am Experimentieren mit Aspekten des unkonventionellen computing aber fand es schwierig zu Prototypen zur Anpassung an ihre braucht. Einige Anwendungsmöglichkeiten umfassen Umsetzung probabilistische Modelle Nutzbarmachung der Memristoren Spick Verhalten, Lösungsansätze zur Durchführung statusbehaftete lOgic Operationen und neurologische Prozesse für die Informationsspeicherung Modellierung und Verarbeitung.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Conductive PLA filament 2.85mm</td>
			<td>Functionalize</td>
			<td>FE_1LB_2.85MM</td>
			<td>Conductive 3D Printing Filament</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HIPS Filament 3mm 1KG (black)</td>
			<td>NuNus</td>
			<td>104856</td>
			<td>3D printing filament</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cleaning Filament, 3mm, 0.1 kg, Natural</td>
			<td>3D Prima</td>
			<td>3DPCLEAN300</td>
			<td>3D cleaning filament</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lulzbot Taz 5</td>
			<td>Lulzbot</td>
			<td>TAZ 5</td>
			<td>3D printer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agar powder</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>0504</td>
			<td>Non-nutrient microbiological Agar powder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4mm ID x 6mm OD Clear PVC Tubing Pipe Hose 5 Metres</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B008NC4JUO</td>
			<td>Roll of PVC tubing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Physarum polycephalum Plasmodium, Living, Plate</td>
			<td>Carolina Biological Supply Company</td>
			<td>156193</td>
			<td>Plasmodium culture.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oat Flakes</td>
			<td>Carolina Biological Supply Company</td>
			<td></td>
			<td>Oak flakes to feed the Plasmoidum</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cura</td>
			<td>Lulzbot</td>
			<td>Cura LulzBot Edition</td>
			<td>https://www.lulzbot.com/cura</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>230 Programmable Voltage Source</td>
			<td>Keithley Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Voltage source instrument.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>617 Programmable Electrometer</td>
			<td>Keithley Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Electrometer to measure low currents.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a method for growing bio-memristors from slime mold

Unsere Forschung zielt auf ein besseres Verständnis der elektronischen Eigenschaften von Organismen zu gewinnen, um neuartige bioelektronische Systeme und IT-Architekturen basierend auf Biologie Ingenieur. Spezifischen Beitrag konzentriert sich auf die Nutzbarmachung der einzelligen Slime Mold Physarum Polycephalum , Bio-Memristors (oder biologische Memristoren) zu entwickeln und Bio-computing Geräte. Der Memristor ist ein Widerstand, der Speicher besitzt. Es ist das 4. grundlegende passive Schaltungselement (die anderen drei sind der Widerstand, Kondensator und Induktivität), das ebnet den Weg für den Entwurf neuartiger IKT-Systeme; z. B.Computer, die die Unterscheidung zwischen Speicher und einer zentralen Recheneinheit verzichten könnte. Wenn mit einer Wechselspannung angewendet wird, ist die aktuelle vs. Spannungs-Kennlinie der ein Memristor ein eingeklemmter Hysteresenschleife. Es hat sich gezeigt, dass p. Polycephalum eingeklemmter Hystereseschleifen unter Wechselspannungen produziert und adaptives Verhalten, das vergleichbar ist mit der Funktionsweise von ein Memristor zeigt. Dieser Beitrag stellt die Methode, die wir entwickelt für die Umsetzung der Bio-Memristoren mit p. Polycephalum und stellt die Entwicklung der ein Gefäß zur Kultur des Organismus, die seinen Einsatz als elektronische Schaltung Komponente erleichtert. Unsere Methode hat sich als Wachstumszeit zu verringern, erhöhen die Lebensdauer der Komponente und Standardisierung von elektrischen Beobachtungen.

Um repräsentative Ergebnisse zu erzielen, haben wir 5 Proben mit der genauen Methode beschriebenen eingerichtet. Für ein Steuerelement wurden 5 Proben arrangiert mit der Methode in den frühen p. Polycephalum Memristor Untersuchungen9,10beschrieben. Hier haben wir zwei Elektroden in einem Abstand von ca. 10 mm in Petrischalen 60 mm Abstand positioniert. Jede Elektrode bestand aus einem Kreis (~ 20 mm im Durchmesser) verzinnter Kupferdraht (16 steht bei 0,2 mm) mit einer 2 %-Nährstoff deionisiertes Agar (~ 2 mL) gefüllt. Alle Proben wurden per Zeitraffer Bilder Rezensent Wachstumszeit überwacht. Hier verknüpft 5 Behälter Proben die beiden Elektroden innerhalb 10 h nach Impfung. Die schnellsten wuchs in unter 2 h, und die längste war 10 h mit der mittlere durchschnittliche Wachstumszeit über alle 5 Proben von 7 h 24 min. Vier der Kontrollproben produziert eine Verlinkung protoplasmische Röhre und einer aus der Impfung Elektrode propagiert aber ausgetrocknet, bevor es die gewünschte Verbindung gemacht. Der schnellste der Kontrollproben machte seine Verbindung innerhalb von 19 h während der langsamste 36 h, mit einer durchschnittliche Wachstumszeit über Kontrollproben von 26 h 15 min nahm. Diese Daten zeigen eine signifikante Abnahme der Wachstumszeit für Memristoren gewachsen mit der vorgestellten Methode.
Das Profil-V ein Memristor ist seine prägendste Merkmal. Als solche haben wir an den Proben zu repräsentativen Ergebnissen für dieses Papier spannungs-Messungen durchgeführt. Hier wurden augenblickliche Strommessungen an jedem Punkt eine 160-Schrittspannung Sinuswelle. Jede Spannung Schritt hatte eine statische Verweilzeit von 2 S. elektrische Messungen wurden mit einer 230 programmierbare Spannungsquelle und einem 617 programmierbare Elektrometer. Diese Geräte wurden ausgewählt, da sie in der Lage, Beschaffung von Spannung und Maßnehmen bei hohen Auflösungen sind. Bei Raumtemperatur in einem unbeleuchteten Raum wurden Experimente durchgeführt.
Abbildung 6 zeigt typische spannungs-Kurven aus Tests auf p. Polycephalum Memristors hergestellt. Abbildung 6 c und 6D zeigen Grundstücke mit der repräsentativen Messungen von Komponenten in den Petrischalen umgesetzt. Ergebnisse mit dieser Methode zeigen, dass obwohl Kurven gemessen an derselben Probe morphologisch ähneln, Hysterese von Probe zu Probe stark variiert. Diese Variante beinhaltet die Lage von Engstellen, die Größenordnung der positiven und negativen Lappen und die Symmetrie zwischen den Messungen in den Bereichen negative und positive Spannung. -Spannungs-Kurven auf Memristoren der Petrischale Methode gemessen sind daher nicht den Fußabdruck eines "idealen" Memristor, weil Engstellen nicht bei Null Spannung und Strom sind. Abbildung 6a und 6 b zeigen Grafiken mit repräsentativen Messungen von Memristoren gewachsen in den Behältern. Die Prise Punktpositionen und Lappen Größen der diese Hystereseschleifen sind relativ konsistent sowohl in diskrete Probe Kurven unter verschiedenen Spannungsbereiche und Zeitschritte getestet "und" Probe zu Probe Kurven. Gefäß-Spannungs-Kurven waren deshalb erinnert an eine "ideale" Memristor Fußabdruck, wo Engstellen immer einzigartige waren und fast durchweg bei Null Spannung und aktuell. Jedoch obwohl Hysterese Morphologien ähnliche Probe zu Probe waren, fielen Gesamtwiderstand zwischen Proben. .
Nachdem die anfängliche spannungs-Messungen abgeschlossen wurden, erfolgten auf jede Probe einmal täglich, bis sie keine Memristive-Kurven dargestellt. Von den 4 Kontrollproben 2 ausgetrocknet innerhalb von 2 Tagen nach der Erstprüfung, während die restlichen 2 weiterhin eingeklemmte Kurven für weitere 2 Tage aufzeichnen. Die Gefäß-Proben ihre Memristance für mindestens 7 Tage mit 3 Proben übersteigt, gepflegt. Im Laufe der Zeit jeder von der Steckdose protoplasmische Probenröhrchen wurde dicker, und gab es ein Rückgang der Gesamtwiderstand, mit einigen Proben messen in der A x 10-04 Bereich für 10 V läuft gegen A x 10-05 in ihren früheren Tests.
Der Leser wird der Artikel durch Braund14 für die Ergebnisse auf die umfangreichen Tests der vorgestellten Anschlussbuchse bezeichnet.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
Abbildung 1: Ein Foto von einer 2 Tage alte Kultur von Plasmodium von p. Polycephalum. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
Abbildung 2: Einen Screenshot von der Gefäß-STL-Datei, nachdem es in der Schneid-Software geladen ist. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
Abbildung 3: ein Screenshot von der Elektrode-STL-Datei, nachdem es in der Schneid-Software geladen ist. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
Abbildung 4: Ein Screenshot der Einstellungen-Konfiguration für den Druck der Elektrode-STL-Modell.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
Abbildung 5: Zwei Fotografien von p. Polycephalum Memristoren umgesetzt in einer Petrischale (links) und unter Verwendung der Methode, die in diesem Dokument (rechts) vorgestellte. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
Abbildung 6: Vier-V-Diagramme, die aus zwei Memristoren gewachsen in den Behältern (a, b) und zwei umgesetzt in Petrischalen (C, d) produziert wurden. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
Abbildung 7: Fotos, auf denen das Gefäß wird verwendet, um Rohre in verschiedenen Längen wachsen.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> / > Abbildung 8: ein Foto zeigt protoplasmische Röhren, die aus den Kammern getrennt wurden.

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A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

Eine Methode für den Anbau von Bio-Memristoren von Slime Mold

Dieses Papier stellt eine verbesserte Methode für den Anbau von Bio-Memristoren aus das Plasmodium von Physarum Polycephalum. Diese Methode erweist sich als Wachstumszeit zu verringern, erhöhen die Lebensdauer der Komponente, elektrische Beobachtungen zu standardisieren und schaffen eine geschützte Umgebung, die in konventionellen Schaltung integriert werden kann.

Our research is aimed at gaining a better understanding of the electronic properties of organisms in order to engineer novel bioelectronic systems and ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.9K Aufrufe.  Plymouth University. Dieses Papier stellt eine verbesserte Methode für den Anbau von Bio-Memristoren aus das Plasmodium von Physarum Polycephalum. Diese Methode erweist sich als Wachstumszeit zu verringern, erhöhen die Lebensdauer der Komponente, elektrische Beobachtungen zu standardisieren und schaffen eine geschützte Umgebung, die in konventionellen Schaltung integriert werden kann.

Serie: A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

A Method for Ovarian Follicle Encapsulation and Culture in a Proteolytically Degradable 3 Dimensional System

The ovarian follicle is the functional unit of the ovary that secretes sex hormones and supports oocyte maturation. In vitro follicle techniques provide a tool to model follicle development in order to investigate basic biology, and are further being developed as a technique to preserve fertility in the clinic1-4. Our in vitro culture system employs hydrogels in order to mimic the native ovarian environment by maintaining the 3D follicular architecture, cell-cell interactions and paracrine signaling that direct follicle development 5. Previously, follicles were successfully cultured in alginate, an inert algae-derived polysaccharide that undergoes gelation with calcium ions6-8. Alginate hydrogels formed at a concentration of 0.25% w/v were the most permissive for follicle culture, and retained the highest developmental competence 9. Alginate hydrogels are not degradable, thus an increase in the follicle diameter results in a compressive force on the follicle that can impact follicle growth10. We subsequently developed a culture system based on a fibrin-alginate interpenetrating network (FA-IPN), in which a mixture of fibrin and alginate are gelled simultaneously. This combination provides a dynamic mechanical environment because both components contribute to matrix rigidity initially; however, proteases secreted by the growing follicle degrade fibrin in the matrix leaving only alginate to provide support. With the IPN, the alginate content can be reduced below 0.25%, which is not possible with alginate alone 5. Thus, as the follicle expands, it will experience a reduced compressive force due to the reduced solids content. Herein, we describe an encapsulation method and an in vitro culture system for ovarian follicles within a FA-IPN. The dynamic mechanical environment mimics the natural ovarian environment in which small follicles reside in a rigid cortex and move to a more permissive medulla as they increase in size11. The degradable component may be particularly critical for clinical translation in order to support the greater than 106-fold increase in volume that human follicles normally undergo in vivo .

A new method for ovarian follicle encapsulation in a 3D fibrin-alginate interpenetrating network is described. This system combines structural support with proteolytic degradation to support the development of immature follicles to produce mature oocytes. This method may be applied to culture cell aggregates to maintain cell-cell contacts without limiting expansion.

Eine Methode zur Ovarialfollikel Encapsulation und Kultur in einem Proteolytisch Degradable 3 Dimensional-System

The ovarian follicle is the functional unit of the ovary that secretes sex hormones and supports oocyte maturation. In vitro  follicle techniques provide ...

Forschung

Biotechnik

Constant Pressure-controlled Extrusion Method for the Preparation of Nano-sized Lipid Vesicles

Liposomes are artificially prepared vesicles consisting of natural and synthetic phospholipids that are widely used as a cell membrane mimicking platform to study protein-protein and protein-lipid interactions3, monitor drug delivery4,5, and encapsulation4. Phospholipids naturally create curved lipid bilayers, distinguishing itself from a micelle.6 Liposomes are traditionally classified by size and number of bilayers, i.e. large unilamellar vesicles (LUVs), small unilamellar vesicles (SUVs) and multilamellar vesicles (MLVs)7. In particular, the preparation of homogeneous liposomes of various sizes is important for studying membrane curvature that plays a vital role in cell signaling, endo- and exocytosis, membrane fusion, and protein trafficking8. Several groups analyze how proteins are used to modulate processes that involve membrane curvature and thus prepare liposomes of diameters &lt;100 - 400 nm to study their behavior on cell functions3. Others focus on liposome-drug encapsulation, studying liposomes as vehicles to carry and deliver a drug of interest9. Drug encapsulation can be achieved as reported during liposome formation9. Our extrusion step should not affect the encapsulated drug for two reasons, i.e. (1) drug encapsulation should be achieved prior to this step and (2) liposomes should retain their natural biophysical stability, securely carrying the drug in the aqueous core. These research goals further suggest the need for an optimized method to design stable sub-micron lipid vesicles.
Nonetheless, the current liposome preparation technologies (sonication10, freeze-and-thaw10, sedimentation) do not allow preparation of liposomes with highly curved surface (i.e. diameter &lt;100 nm) with high consistency and efficiency10,5, which limits the biophysical studies of an emerging field of membrane curvature sensing. Herein, we present a robust preparation method for a variety of biologically relevant liposomes.
Manual extrusion using gas-tight syringes and polycarbonate membranes10,5 is a common practice but heterogeneity is often observed when using pore sizes &lt;100 nm due to due to variability of manual pressure applied. We employed a constant pressure-controlled extrusion apparatus to prepare synthetic liposomes whose diameters range between 30 and 400 nm. Dynamic light scattering (DLS)10, electron microscopy11 and nanoparticle tracking analysis (NTA)12 were used to quantify the liposome sizes as described in our protocol, with commercial polystyrene (PS) beads used as a calibration standard. A near linear correlation was observed between the employed pore sizes and the experimentally determined liposomes, indicating high fidelity of our pressure-controlled liposome preparation method. Further, we have shown that this lipid vesicle preparation method is generally applicable, independent of various liposome sizes. Lastly, we have also demonstrated in a time course study that these prepared liposomes were stable for up to 16 hours. A representative nano-sized liposome preparation protocol is demonstrated below.

This protocol describes an extrusion method for preparing lipid vesicles of sub-micron sizes with a high degree of homogeneity. This method uses a pressure-controlled system with controlled nitrogen flow rates for liposome preparation. The lipid preparation1,2, liposome extrusion, and size characterization will be presented herein.

Constant Pressure-gesteuerte Extrusionsverfahren zur Herstellung von Nano-Größe Lipidvesikeln

Liposomes are artificially prepared vesicles consisting of natural and synthetic phospholipids that are widely used as a cell membrane mimicking platform ...

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in parallel computing2,3 , recognize and bind molecular or cellular targets4,5 , catalyze chemical reactions6,7 , and generate calculated responses in a biological system8,9. Importantly, nucleic acids can be programmed to self-assemble into 2D and 3D structures10-12, enabling the integration of all these remarkable features in a single robot linking the sensing of biological cues to a preset response in order to exert a desired effect.
Creating shapes from nucleic acids was first proposed by Seeman13, and several variations on this theme have since been realized using various techniques11,12,14,15 . However, the most significant is perhaps the one proposed by Rothemund, termed scaffolded DNA origami16. In this technique, the folding of a long (&gt;7,000 bases) single-stranded DNA 'scaffold' is directed to a desired shape by hundreds of short complementary strands termed 'staples'. Folding is carried out by temperature annealing ramp. This technique was successfully demonstrated in the creation of a diverse array of 2D shapes with remarkable precision and robustness. DNA origami was later extended to 3D as well17,18 .
 
The current paper will focus on the caDNAno 2.0 software19 developed by Douglas and colleagues. caDNAno is a robust, user-friendly CAD tool enabling the design of 2D and 3D DNA origami shapes with versatile features. The design process relies on a systematic and accurate abstraction scheme for DNA structures, making it relatively straightforward and efficient.
In this paper we demonstrate the design of a DNA origami nanorobot that has been recently described20. This robot is 'robotic' in the sense that it links sensing to actuation, in order to perform a task. We explain how various sensing schemes can be integrated into the structure, and how this can be relayed to a desired effect. Finally we use Cando21 to simulate the mechanical properties of the designed shape. The concept we discuss can be adapted to multiple tasks and settings.

DNA origami is a powerful method for fabricating precise nanoscale objects by programming the self-assembly of DNA molecules. Here, we describe how DNA origami can be utilized to design a robotic robot capable of sensing biological cues and responding by shape shifting, subsequently relayed to a desired effect.

Entwerfen einer Bio-responsive Robot von DNA Origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in ...

An Improved Method for the Preparation of Type I Collagen From Skin

Soluble type 1 collagen (COL1) is used extensively as an adhesive substrate for cell cultures and as a cellular scaffold for regenerative applications. Clinically, this protein is widely used for cosmetic surgery, dermal injections, bone grafting, and reconstructive surgery. The sources of COL1 for these procedures are commonly nonhuman, which increases the potential for inflammation and rejection as well as xenobiotic disease transmission. In view of this, a method to efficiently and quickly purify COL1 from limited quantities of autologously-derived tissues would circumvent many of these issues; however, standard isolation protocols are lengthy and often require large quantities of collagenous tissues. Here, we demonstrate an efficient COL1 extraction method that reduces the time needed to isolate and purify this protein from about 10 days to less than 3 hr. We chose the dermis as our tissue source because of its availability during many surgical procedures. This method uses traditional extraction buffers combined with forceful agitation and centrifugal filtration to obtain highly-pure, soluble COL1 from small amounts of corium. Briefly, dermal biopsies are washed thoroughly in ice-cold dH2O after removing fat, connective tissue, and hair. The skin samples are stripped of noncollagenous proteins and polysaccharides using 0.5 M sodium acetate and a high speed bench-top homogenizer. Collagen from residual solids is subsequently extracted with a 0.075 M sodium citrate buffer using the homogenizer. These extracts are purified using 100,000 MW cut-off centrifugal filters that yield COL1 preparations of comparable or superior quality to commercial products or those obtained using traditional procedures. We anticipate this method will facilitate the utilization of autologously-derived COL1 for a multitude of research and clinical applications.

Traditional procedures for the isolation of soluble type 1 collagen (COL1) require about 10 days from start to finish because of lengthy buffer incubations and laborious resuspensions of fibrils. Here, we describe a means to purify COL1 from small dermal biopsies in less than 3 hr.

Ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Typ I-Kollagen aus der Haut

Soluble type 1 collagen (COL1) is used extensively as an adhesive substrate for cell cultures and as a cellular scaffold for regenerative applications. ...

A Novel Method for Localizing Reporter Fluorescent Beads Near the Cell Culture Surface for Traction Force Microscopy

PA gels have long been used as a platform to study cell traction forces due to ease of fabrication and the ability to tune their elastic properties. When the substrate is coated with an extracellular matrix protein, cells adhere to the gel and apply forces, causing the gel to deform. The deformation depends on the cell traction and the elastic properties of the gel. If the deformation field of the surface is known, surface traction can be calculated using elasticity theory. Gel deformation is commonly measured by embedding fluorescent marker beads uniformly into the gel. The probes displace as the gel deforms. The probes near the surface of the gel are tracked. The displacements reported by these probes are considered as surface displacements. Their depths from the surface are ignored. This assumption introduces error in traction force evaluations. For precise measurement of cell forces, it is critical for the location of the beads to be known. We have developed a technique that utilizes simple chemistry to confine fluorescent marker beads, 0.1 and 1 &#181;m in diameter, in PA gels, within 1.6 &#956;m of the surface. We coat a coverslip with poly-D-lysine (PDL) and fluorescent beads. PA gel solution is then sandwiched between the coverslip and an adherent surface. The fluorescent beads transfer to the gel solution during curing. After polymerization, the PA gel contains fluorescent beads on a plane close to the gel surface.

Traditional techniques for fabricating polyacrylamide (PA) gels containing fluorescent probes involve sandwiching a gel between an adherent surface and a glass slide. Here, we show that coating this slide with poly-D-lysine (PDL) and fluorescent probes localizes the probes to within 1.6 &#181;m from the gel surface.

Eine neue Methode zur Lokalisierung Reporter fluoreszierende Kügelchen In der Nähe der Zellkulturoberfläche für Traction Force Microscopy

PA gels have long been used as a platform to study cell traction forces due to ease of fabrication and the ability to tune their elastic properties. When ...

Biomembrane Fabrication by the Solvent-assisted Lipid Bilayer (SALB) Method

In order to mimic cell membranes, the supported lipid bilayer (SLB) is an attractive platform which enables in vitro investigation of membrane-related processes while conferring biocompatibility and biofunctionality to solid substrates. The spontaneous adsorption and rupture of phospholipid vesicles is the most commonly used method to form SLBs. However, under physiological conditions, vesicle fusion (VF) is limited to only a subset of lipid compositions and solid supports. Here, we describe a one-step general procedure called the solvent-assisted lipid bilayer (SALB) formation method in order to form SLBs which does not require vesicles. The SALB method involves the deposition of lipid molecules onto a solid surface in the presence of water-miscible organic solvents (e.g., isopropanol) and subsequent solvent-exchange with aqueous buffer solution in order to trigger SLB formation. The continuous solvent exchange step enables application of the method in a flow-through configuration suitable for monitoring bilayer formation and subsequent alterations using a wide range of surface-sensitive biosensors. The SALB method can be used to fabricate SLBs on a wide range of hydrophilic solid surfaces, including those which are intractable to vesicle fusion. In addition, it enables fabrication of SLBs composed of lipid compositions which cannot be prepared using the vesicle fusion method. Herein, we compare results obtained with the SALB and conventional vesicle fusion methods on two illustrative hydrophilic surfaces, silicon dioxide and gold. To optimize the experimental conditions for preparation of high quality bilayers prepared via the SALB method, the effect of various parameters, including the type of organic solvent in the deposition step, the rate of solvent exchange, and the lipid concentration is discussed along with troubleshooting tips. Formation of supported membranes containing high fractions of cholesterol is also demonstrated with the SALB method, highlighting the technical capabilities of the SALB technique for a wide range of membrane configurations.

Biomembrane Fabrication by the Solvent-assisted Lipid Bilayer SALB Method

We present an experimental protocol to form a supported lipid bilayer on solid substrates without using lipid vesicles. We demonstrate a one-step method to form a lipid bilayer on silicon dioxide and gold as well as supported membranes with cholesterol-enriched domain for various biological applications.

Biomembran Fabrication durch das Lösungsmittel-unterstützten Lipiddoppelschicht (SALB) Methode

In order to mimic cell membranes, the supported lipid bilayer (SLB) is an attractive platform which enables in vitro investigation of membrane-related ...

A Rapid and Quantitative Fluorimetric Method for Protein-Targeting Small Molecule Drug Screening

We demonstrate a new drug screening method for determining the binding affinity of small drug molecules to a target protein by forming fluorescent gold nanoclusters (Au NCs) within the drug-loaded protein, based on the differential fluorescence signal emitted by the Au NCs. Albumin proteins such as human serum albumin (HSA) and bovine serum albumin (BSA) are selected as the model proteins. Four small molecular drugs (e.g., ibuprofen, warfarin, phenytoin, and sulfanilamide) of different binding affinities to the albumin proteins are tested. It was found that the formation rate of fluorescent Au NCs inside the drug loaded albumin protein under denaturing conditions (i.e., 60 &#176;C or in the presence of urea) is slower than that formed in the pristine protein (without drugs). Moreover, the fluorescent intensity of the as-formed NCs is found to be inversely correlated to the binding affinities of these drugs to the albumin proteins. Particularly, the higher the drug-protein binding affinity, the slower the rate of Au NCs formation, and thus a lower fluorescence intensity of the resultant Au NCs is observed. The fluorescence intensity of the resultant Au NCs therefore provides a simple measure of the relative binding strength of different drugs tested. This method is also extendable to measure the specific drug-protein binding constant (KD) by simply varying the drug content preloaded in the protein at a fixed protein concentration. The measured results match well with the values obtained using other prestige but more complicated methods.

A protocol for small molecular drug screening based on in-situ synthesis of ultrasmall fluorescent gold nanoclusters (Au NCs) using drug-loaded protein as template is presented. This method is simple to determine the binding affinity of drugs to a target protein by a visible fluorescent signal emitted from the protein-templated Au NCs.

Eine schnelle und quantitative fluorimetrische Verfahren zur Protein-Targeting kleines Molekül als Wirkstoff-Screening

We demonstrate a new drug screening method for determining the binding affinity of small drug molecules to a target protein by forming fluorescent gold ...

Tunable Hydrogels from Pulmonary Extracellular Matrix for 3D Cell Culture

Here we present a method for establishing multiple component cell culture hydrogels for in vitro lung cell culture. Beginning with healthy en bloc lung tissue from porcine, rat, or mouse, the tissue is perfused and submerged in subsequent chemical detergents to remove the cellular debris. Histological comparison of the tissue before and after processing confirms removal of over 95% of double stranded DNA and alpha galactosidase staining suggests the majority of cellular debris is removed. After decellularization, the tissue is lyophilized and then cryomilled into a powder. The matrix powder is digested for 48 hr in an acidic pepsin digestion solution and then neutralized to form the pregel solution. Gelation of the pregel solution can be induced by incubation at 37 &#176;C and can be used immediately following neutralization or stored at 4 &#176;C for up to two weeks. Coatings can be formed using the pregel solution on a non-treated plate for cell attachment. Cells can be suspended in the pregel prior to self-assembly to achieve a 3D culture, plated on the surface of a formed gel from which the cells can migrate through the scaffold, or plated on the coatings. Alterations to the strategy presented can impact gelation temperature, strength, or protein fragment sizes. Beyond hydrogel formation, the hydrogel stiffness may be increased using genipin.

This is a method to create a 3-dimensional cell culture scaffold from pulmonary extracellular matrix. Intact lung is processed into hydrogels that can support the growth of cells in three-dimensions.

Tunable Hydrogele aus Pulmonary Extrazellulärmatrix für 3D-Zellkultur

Here we present a method for establishing multiple component cell culture hydrogels for in vitro lung cell culture. Beginning with healthy en bloc lung ...

A Net Mold-based Method of Scaffold-free Three-Dimensional Cardiac Tissue Creation

This protocol describes a novel and easy net mold-based method to create three-dimensional (3-D) cardiac tissues without additional scaffold material. Human-induced pluripotent stem-cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs), human cardiac fibroblasts (HCFs), and human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) are isolated and used to generate a cell suspension with 70% iPSC-CMs, 15% HCFs, and 15% HUVECs. They are co-cultured in an ultra-low attachment "hanging drop" system, which contains micropores for condensing hundreds of spheroids at one time. The cells aggregate and spontaneously form beating spheroids after 3 days of co-culture. The spheroids are harvested, seeded into a novel mold cavity, and cultured on a shaker in the incubator. The spheroids become a mature functional tissue approximately 7 days after seeding. The resultant multilayered tissues consist of fused spheroids with satisfactory structural integrity and synchronous beating behavior. This new method has promising potential as a reproducible and cost-effective method to create engineered tissues for the treatment of heart failure in the future.

This protocol describes a net mold-based method to create three-dimensional scaffold-free cardiac tissues with satisfactory structural integrity and synchronous beating behavior.

Eine Net Schimmel basierende Methode der dreidimensionalen Gerüst-freie Herzgewebe Schöpfung

This protocol describes a novel and easy net mold-based method to create three-dimensional (3-D) cardiac tissues without additional scaffold material. ...

Cell-free Protein Expression Using the Rapidly Growing Bacterium Vibrio natriegens

The marine bacterium Vibrio natriegens has garnered considerable attention as an emerging microbial host for biotechnology due to its fast growth rate. A general protocol is described for the preparation of V. natriegens crude cell extracts using common laboratory equipment. This high yielding protocol has been specifically optimized for user accessibility and reduced cost. Cell-free protein synthesis (CFPS) can be carried out in small scale 10 &#956;L batch reactions in either a 96- or 384-well format and reproducibly yields concentrations of &#62; 260 &#956;g/mL super folder GFP (sfGFP) within 3 h. Overall, crude cell extract preparation and CFPS can be achieved in 1&#8722;2 full days by a single user. This protocol can be easily integrated into existing protein synthesis pipelines to facilitate advances in bio-production and synthetic biology applications.

Cell-free Protein Expression Using the Rapidly Growing Bacterium Vibrio natriegens

Cell-free expression systems are powerful and cost-efficient tools for the high-throughput synthesis and screening of important proteins. Here, we describe the preparation of cell-free protein expression system using Vibrio natriegens for the rapid protein production using plasmid DNA, linear DNA, and mRNA template.

Zellfreien Protein Ausdruck mithilfe der rasch wachsenden Bakterium Vibrio natriegens

The marine bacterium Vibrio natriegens has garnered considerable attention as an emerging microbial host for biotechnology due to its fast growth rate. A ...