この研究は、プリマス大学人文芸能学校で賄われていた。著者は、その導電性 PLA のサンプルを提供するため Functionalize を認識したいと思います。

1 です 3 d 印刷容器の作製 印刷層温度を 85 ° C に設定するプリンター インターフェイスを使用して <ol><li>、蓋とベース <ol><li>ロード 3 d プリンターと耐衝撃性ポリスチレン (HIPS)。230 ° C に押出機温度に達すると、アイドラー アームを緩め、フィラメントを挿入し、高温端から押し出しが開始されるまで押し下げます。その後、フィラメント アイドラー アームをしっかりし、押出された材料を削除します</li>。
		<li>ソフトウェアは、通常 [ファイル] タブに移動し、取り込み/開くオプション ( 図 2) を選択することによって達成することができますスライス 3 D プリント 3 D レセプタクル STL モデル ファイルをインポートします</li>。
		<li>品質印刷設定の高低提供していますソフトウェアをスライスも正しい材料プロファイルが選択されていることを確認しながら高品質を選択します 。
		注: ことを確認 1 つの実行のいくつかの容器を印刷は、ソフトウェアは一度に 1 つのオブジェクトを印刷に設定されます。金具を一緒にするときにトレランス問題が発生可能性が高いが印刷の品質が低下する可能性がある場合は、この手順はスキップされます</li>。
		<li>印刷が完了したら、印刷ベッド温度が 50 ° C 部分を削除するまでを待機します</li>。
		<li>電極チャンバーをフィッティングするときに障害を引き起こす可能性があります任意の欠陥の電極ソケットをオフに細いワイヤー ブラシを使用して軽く</li>。
	</ol></li> <li>電極 <ol><li>クリーニング フィラメントの腰フィラメントを交換し、プリント ヘッドを介して材料の多くを実行します</li>。
		<li>体積抵抗率 0.75 Ω cm 以下には導電性ポリ乳酸 (PLA) 繊維プリンターします</li>。
		<li>60 ° C と 230 ° C を押出機に印刷層温度を設定 (手順 1.1.1 ガイダンスを参照してください).</li>
		温度に達すると、<li>は、プリント ヘッドをフィラメントの数センチを押し出します。このプロセスは以前のセッションからのすべての粒子が削除されていることを確認を役立ちます</li>。
		<li>電極 STL ファイル ( 図 3) を読み込むスライス ソフトウェア、3 D プリントを使用しています</li>。
		<li>印刷の設定では、次の指定: レイヤーの高さ = 0.16 mm、厚み 1.7 mm、下部/上部を = = 0.74 mm、塗りつぶし密度 = 100% ( 図 4).</li>
		<li>かどうかは、一度に 1 つずつを印刷するプリンターを設定 1 つの実行に複数の電極を印刷します</li>。
		<li>一度、印刷電極印刷ベッドの上までまま彼らを室温に冷却しました。これにより部分がゆがんだし、ゆがんでなってない</li>。
	</ol></li> <li>レセプタクル アセンブリ <ol><li>2 つの部屋それぞれに電極をスロットします。1.1.5 の手順が正しく完了したら、電極が多くの力なしの部屋に行く必要があります</li>。
		<li>ポリ塩化ビニル (PVC) 管 (内径 4 mm と 6 mm 外径) は、それぞれの端がまっすぐ、きれいにカットできるように世話の 10 mm を切る鋭いメスを使用しています</li>。
		<li>2 つの電極の縁に 10 mm 塩ビ管の両端を軽く動かして緩め</li>。
		<li>一度接続すると、2 つの部屋をベースにクリップします</li>。
	</ol></li></ol> 2。容器の準備と フロントダイナミクス 接種 <ol><li>2% 寒天培地準備 <ol><li>250 mL ガラス瓶の中に非栄養微生物寒天 2 g を入れて</li>。
		<li>100 mL の脱イオン水を加え、よく混ぜる</li>。
		<li>オートクレーブ 121 ° C、15-20 分の沸騰水のお風呂で 12 〜 15 分のためのびん</li>
	</ol></li> <li>寒天基板をソケットに設定 &#39; s 室 <ol><li>湯せんまたは電子レンジを使用して寒天を溶かすです</li>。
		<li>溶融寒天 2 mL ピペットを入力します</li>。
		<li>容器の各 &#39; ピペット内部のベースの上約 5 mm のペン先をホバリングしゆっくりと接続の下部まで井戸の室チューブ穴</li>。
		<li>井戸を充填後、各部屋のふたを配置し、寒天が設定室温に達するまで容器を脇にすぐにします</li>。
	</ol></li> <li>フロントダイナミクス 接種 <ol><li>2 つの部屋それぞれにオート麦フレークを配置します</li>。
		<li>、飢えたから仮の 1 つの 2 mL blob を削除する (約 12 時間) マラリア原虫の文化、2 つの部屋の 1 つに配置します。スピーディな成長を促進するため、有機体の前方から最も活発な原形質をとろうと</li>。
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol>
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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>

著者が明らかに何もありません。

この論文では、myxomyceteフロントダイナミクスから memristors を成長のための方法を発表しました。生物は、バイオ memristors を実装に関連付けられている制約のいくつかを克服するために設計された 3 D 印刷容器の中栽培されています。このような制限は、セットアップ時間、サンプル成長時間サンプル - 成長条件と電気の観測のための標準化の欠如をなど。
私たちのコンセントは、最初半島芸術現代音楽祭 2016 (PACMF)、それぞれのウェブサイト15印刷された広報資料で 2015 年に明らかになった。ここでは、当社の技術を使用して開発したライブ音楽家に音楽の伴奏を生成可能なハイブリッド ハードウェア バイオウェア社インタラクティブな音楽システム。参照14では、私たちのレセプタクルの広範なテストの報告し、以前のアプローチ9,10に対して結果を比較しました。こうした研究者の別のグループはその後研究生物の thermistive プロパティ16に作成の成長環境を探検が、これらはメムリスティブ プロパティと同じではありません。フロントダイナミクスmemristors13,17を実装するための制御方法の開発を他の 2 つの試みがあるだけされてただし。これらの実験で井戸がポリジメチルシロキサン (PDMS) と呼ばれるゲル状の生体適合性エラストマー材料からなされ、電極は、様々 な金属や poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) を使用して作成されました。これらの材料は、エレクトロニクス、マイクロ、バイオニック技術で使用されることが日常的に、彼らは、高価とを使用するいくつかの専門知識を必要とします。たとえば、PEDOT:PSS、導電性を改善するためにスピン コーティングとドーピングが必要。したがって、技術、専門家のリソースへのアクセスを持っていない人々 のため届かない。この記事で紹介した容器は、方法および容易にアクセス、安価な材料を使用します。さらに、デザインは、時間の任意の期間のセルを維持する試みは作られてない他のフロントダイナミクスmemristor プロトタイプと対照をなしてある生息地にマラリア原虫の快適な環境を提供します。
今までは、ペトリ皿 (図 5、左) の有機物を培養するため上記の方法を使用して一貫性のある V の測定値を得ることが困難だった。私たちのメソッドはこのシナリオを大幅に向上 (図 6)。設計は成長時間を減少、寿命を増加、構成要素の反応を標準化、有機物をカプセル化する保護された微小環境を作成私たちのコンセントのテストの結果を示しています。さらに、デバイスは、電気方式のコンポーネントとして有機物を統合する可能な手段を提供します。
提案手法では、電気システム内フロントダイナミクスmemristors を利用することに関連する問題の数が軽減されます。しかし、さらに研究・開発を必要とする制限があります。まず、結露は、コンセントが迅速な温度変化を受ける場合、または高電圧長期間にわたって接続チューブの内面に収集できます。後者は生物の高抵抗が発生する電気エネルギーの熱に転送するためです。、重要な場合、結露は、接続チューブの両端に 2 つの電極間の低耐性経路を作成できます。この制限は、memristors がオーバー ロードされていないことを確保することによって効果的に管理できます。第二に、コンポーネント - から memristors 提案手法を使用して生産の全体的な抵抗があります。このような現象は、原形質流動の管の外径を制限しないアプローチの結果可能性があります。その結果、ユーザーは、memristors の応用に校正プロセスを組み込む必要があります。
この方法のおかげで我々 は今フロントダイナミクスメムリスティブ観測の原因となっている生物学的プロセスの研究を開始できます。このようなプロセスが利用できるかもしれない動的パラメーターをそれは要素の使用を強化します。我々 は、電位依存性イオン チャネルが memristance の役割を果たす場合を確認する細胞外のイオン濃度を変更する、いくつかの予備的な実験を実行して始めています。
提示された容器がフロントダイナミクスmemristors を実装するためにのみ設計されています。これらのデバイスが、しかし、以外にも 1 つのコンポーネントを実装するための使用を持っています。たとえば、参照12,18, 原形質流動管は自己組織化と自己修復の生物学的線として検討しました。両方これらの調査で研究者を示したスキームに従って原形質のチューブを成長の方法を確立するさらなる作業が必要であります。この論文で提唱のレセプタクルは、2 つ、または可能性のある複数の点の間の管の生産の輪郭を描く方法を提供します。図 7は、健康的な管の長さを成長するコンセントが使えるを示す 2 枚の写真を示しています 100 mm 以上。リファレンス18、原形質流動のチューブの伝達関数を調べた。この調査から有機体が電気システムに統合する場合チューブを成長に必要な寒天が問題を引き起こす可能性があることを示唆しました。これは基板の容量です。ここに示す容器はまだ高い湿度を保つために寒天を必要とします。ただし、レセプタクルの設計への小さな変更、取り外し可能なチューブを作成することが可能です。このセットアップは、成長が完了し電気システムにクリップされたチャンバーから切断する管用可能です。さらに、チューブの健康悪化し始めると、一度それに再接続する食品や休息のための新しい部屋自体が、修理して再使用できるまで。図 8は、チャンバーから切断されている長い管の写真を示しています。今後の研究は、原形質流動管の電気的特性提示法を用いた長さで成長して、寒天なしを調査するため必要です。

今日のコンピューターの 3 つの 2 端子基礎受動回路素子を使用して構築: コンデンサー、抵抗、およびインダクタ。受動素子が消かそれを生成しない、エネルギーを蓄積することができるのみです。これらの要素は、18番目と19 世紀に設立された、マクスウェル方程式を介してリンクされます。我々 は 2 つ 4 つの回路変数の間の関係の面でこれらの 3 つの回路のコンポーネントのそれぞれを定義すなわち、(I) 電流、電圧 (V)、電荷量 (Q)、磁束 (φ)。料金は電流の時間積分とファラデーの法則は、フラックスの時間積分として電圧を定義します。したがって、コンデンサーの電圧と電荷の関係によって定義されます、抵抗器は、電圧と電流の関係によって定義およびインダクタはフラックスとの関係で定義され現在。世紀以上も、これらの要素は、エレクトロニクスの基礎だった。ただし、彼らはのみ 3 つのフラックス ・ リンクとリンク解除料金を残して回路変数間可能性のある 4 つの関係のペアを表します。1971 年に Leon Chua は、彼は彼は、memristor と呼ばれる残りの 2 つの変数をリンクされている不足している 4 番目の要素があったことを仮定した紙1を公開しました。Memristor をすることができます収縮 'メモリ抵抗' その歴史を覚えている抵抗として記載されています。この要素は以前に適用された電圧とその期間の大きさによると、その抵抗を変えることによって機能します。また、電圧が適用されなくなった後、memristor はその最後の抵抗の状態を保持します。異なり、コンデンサー、抵抗器、インダクタ、memristor の行動は非線形、AC 電圧の下でピンチのヒステリシス ループを形成する、その - V プロファイルで明らかです。このループは、高と低抵抗状態の 2 つの垂直振動を含むリサージュ図の形式をとります。チュアの形式化された memristance 理論の前にポリマーやマイクロメータで電気機器の開発と共に、金属酸化物などの材料を試してみるときは、メモリ抵抗効果特定の周波数でので他の研究者の報告していたスケール2。ただし、多くの場合、これらの効果は望ましくない考慮されました。メムリスティブ効果を悪用する手法を開発する研究者、物理デバイスに接続するチュアの形式化のためほぼ 40 年かかった。HP 研究所のチームは、要素の大きな関心を点火 2008年3メムリスティブ デバイスを製造に成功しました。
コンピューター科学者は、memristor 単一ユニットの処理とメモリの能力を結合する最初の要素としてクレジットされてそれのために強い関心を持ってください。また、スパイク タイミング依存可塑性 (STDP) など4名が 1 つの特定の神経学的なプロセスに類似している動作が表示されます。このような行動は、5メモリ、中央処理装置 (CPU) の区別を放棄する脳のようなコンピューティング技術を構築の視点に上昇を与えています。(たとえば TiO2を使用して) memristors を開発する一般的なアプローチとは対照的私たちの野心、有機バイオ-memristor を開発します。さらに、このコンポーネントが工学コンピューティング デバイスへの従来のアプローチを超えてパラダイムを探るための手段を提供する方法に興味があります。例えば、コンピューター音楽6の分野で創造的なアプリケーション。
Memristance は、研究者は生物学的システムの範囲で最近発見した効果です。たとえば、メムリスティブ プロパティは、アロエベラ植物7と人間の皮8、引用するが、2 つで観察されています。これらの発見は、生物学的基板上への処理およびメモリ デバイスを実装することが可能があることを示します。テクノロジ内で有機体システムを活用ができるよう自己刺激的な概念を探求する私たち、自己修復、低環境負荷と電源投入自己。しかしこれらの機会を用いて、いくつかの課題に対処する必要があります。メムリスティブ プロパティを持つ生物学的システムの多くは、実際の電子部品として彼らの生存率を制限する大きな制約があります。たとえば、アロエベラ葉7は、光を必要し、限られた寿命を持つ回路に統合することは困難になります。さらに、いくつかその他体内メムリスティブ現象、人間の汗管8などは日常の電子システム、実験室の外の使用のためのシステムを開発するために現在実行可能なオプション。しかし、すべてのメムリスティブ現象の 1 つの潜在的な候補がある:フロントダイナミクス。
フロントダイナミクスのマラリア原虫はメムリスティブ コンポーネント9,10として発見されている非晶質の単細胞系です。この生物は、さまざまな理由でハイブリッド ハードウェア人間の頭脳のエレクトロニクスの研究のための理想的な候補です。まず、有機物は非病原性、マクロ、レンダリング、マラリア原虫をエンジニアや非生物学者にアクセス可能な専門装置の使用は必要ありません。第二に、セルは非晶質では、ワイヤーのような静脈のネットワークを形成、ほとんど基板 (図 1) に成長します。これらのプロパティは、セルの形態は、従来の電気方式に合わせて簡単に線引きすること。また、マラリア原虫が 4 年11、生きることができるし、の静脈が自己補修型導電性経路12として機能できることを示す研究があります。いくつかの研究は、生物のメムリスティブ能力9,10,13を確認しているし、今がその可能性を探るに熟した。
Pを使用してのアイデア。体memristors は比較的新しいです。その結果、測定及びその電気特性に対する確立された標準がないです。同じ研究グループ内およびグループ間の実験プロシージャの均一性のない理由の中に矛盾がある掲載結果9,10があります。このような変化はサンプルの成長条件と処理で最も顕著なそうです。したがって、我々 は製造方法を確立する必要があります、制御エラーを引き起こす可能性のある要因がより良いフロントダイナミクスmemristors をテストし、監視します。 さらに、我々 は電気システムに安定性と容易な統合を可能にするフロントダイナミクスmemristors を実装するためのメソッドを作成する必要があります。
本稿で紹介した方法は、電気回路図にコンポーネントとして有機物を組み込むための手段を提供することによってフロントダイナミクスmemristors の実用的なアプリケーションの探査のためのプラットフォームを提供します。これらの技術が実際使用するハイブリッド ハードウェア人間の頭脳系を探索する探しているエンジニアにアピールする可能性が高いです。さらに、それは非専門家 (例えば、オープン ソース電子プロトタイピング愛好家) にアクセスできる人は、型破りなコンピューティングの側面での実験に興味があるかもしれないに適応するプロトタイプを見つけるは難しいそれを発見した、必要があります。スパイク動作、ステートフルな l を実行するアプローチを開発 memristors を活用する確率モデルを実装するいくつかの潜在的なアプリケーションが含まれますogic 操作と情報ストレージの神経学的なプロセスのモデリングと処理します。

<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

本研究は、新規バイオエレクトロニクス システムと生物学に基づくコンピューティングのアーキテクチャを設計するために有機体の電子特性のよりよい理解を得ることを目指しています。この特定の用紙は単細胞粘粘菌バイオ memristors (または生物 memristors) を開発するを活用に焦点を当て、バイオ コンピューティング デバイス。Memristor はメモリを所有している抵抗です。それは第 4 回基礎受動回路要素 (他の 3 つは、抵抗器、コンデンサー、およびインダクタ)、新しい種類のコンピューティング システムの設計のための道筋を例えばストレージと中央処理装置の区別を放棄する可能性がありますコンピューター。AC 電圧で適用されると、電流電圧特性、memristor の対はピンチのヒステリシス ループです。それは、フロントダイナミクスの AC 電圧の下でピンチのヒステリシス ループが生成されますされ、適応行動、memristor の機能に匹敵する示されています。本稿では、フロントダイナミクスとバイオ memristors を実装する我々 が開発した手法を提案する, 電子回路コンポーネントとしての展開を容易に有機体の文化に容器の開発を紹介します。本手法は、成長時間を短縮、コンポーネントの寿命を増加および電気観測を標準化する証明されています。

代表的な結果を生成するには、我々 は上記の正確な方法を使用して 5 つのサンプルを設定します。コントロール、初期フロントダイナミクスmemristor 調査9,10で説明した方法を使用しても 5 つのサンプル整理されました。ここでは、我々 は 60 mm ペトリ皿内 ~ 10 mm の距離で 2 つの電極を配置しました。各電極は、錫メッキ銅線 (0.2 mm で 16 略) 2% 非栄養素脱寒天 (~ 2 mL) でいっぱいの円 (直径 ~ 20 mm) から成っていた。すべてのサンプルは、成長時間を検討するタイムラプス画像経由で監視されました。ここでは、5 レセプタクル サンプルには、接種の 10 h の内で 2 つの電極が接続されています。これらの最速 2 時間未満で育った、最長 7 時間 24 分のすべての 5 つのサンプルの間で平均平均成長時間、10 h。コントロール サンプルの 4 生産リンク接種電極が伝播されますが、必要な接続が行われる前に乾いて原形質流動管と 1 つ。かかった遅いコントロール サンプル 26 時間 15 分の間平均成長時間の 36 h の 19 h 内の接続をコントロール サンプルの最速にしました。これらのデータは、memristors 提示法を用いた成長の成長時間の大幅な減少を示しています。
メモリスタの - V プロファイルは、その最も定義する機能です。など、このホワイト ペーパーの代表的な結果を生成するサンプルに - V の測定を行った。ここでは、各時点で 160 ステップ電圧の正弦波の瞬時電流測定を行いました。各電圧ステップ 2 ・電気計測の静的な滞留時間が作った 230 プログラマブル電圧ソースと 617 プログラム可能電位計を使用しています。これらのデバイスは、電圧と高解像度で計測を調達することができるように選ばれました。点灯していない部屋の室温で実験を行った。
フロントダイナミクスmemristors にテストから作成される典型的な V 曲線を図 6に示します。図 6 cと6 dは、ペトリ皿に実装されたコンポーネントから代表的な測定値とプロットを表示します。このメソッドを使用して、結果を表示、同じサンプルでの測定のカーブが類似した形態、ヒステリシスによって異なります大きくサンプルのサンプル。このような変化には、ピンチ ポイントの正と負の両方の葉の大きさと単位の正と負の電圧ドメイン間の対称性の場所が含まれています。したがって、- V 曲線 memristors シャーレ法を用いた測定はピンチ ポイントがゼロ電圧と電流ではないために、'理想的な memristor のフット プリントではありません。図 6aおよび6b memristors 容器で栽培から代表的な測定値とグラフを表示します。ピンチ ポイント場所とこれらのヒステリシス ループの葉サイズは、様々 な電圧範囲と、時間ステップの下でテスト離散サンプル曲線と曲線のサンプル-サンプルの両方比較的一致しています。したがって、レセプタクル - V 曲線がより '理想的な memristor のフット プリント、ピンチ ポイント常に特異だったのと一貫してほぼゼロ電圧を彷彿とさせる、現在。しかし、ヒステリシス形態が類似したサンプル、サンプル間の全体的な抵抗性の差異があった。.
各サンプルのテストが行われた初期 V 測定が完了した後メムリスティブ曲線がつかめないまで一日一回。4 コントロールのサンプルの残り 2 ピンチの曲線をさらに 2 日間の記録を続けながら 2 を初期のテストの 2 日間内で乾燥させます。容器サンプル 3 サンプルを上回ると、少なくとも 7 日間の memristance を維持しました。時間をかけて、レセプタクル サンプルの原形質流動管のそれぞれはだんだんと全体的な抵抗の減少があった、x 10-04 A で測定するいくつかのサンプルを A に対してを実行の前のテストで 10-05 x 10 V の範囲。
読者記事 Braund14提示レセプタクルの広範なテストの結果によって参照されます。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
図 1:フロントダイナミクスのマラリア原虫の 2 日古い文化の写真。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
図 2:レセプタクル STL ファイルそれがスライスのソフトウェアに読み込まれた後のスクリーン ショットです。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
図 3: スライスのソフトウェアにロードされた後の電極の STL ファイルのスクリーン ショットします。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
図 4: 電極 STL モデルを印刷するための設定の構成のスクリーン ショット。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
図 5:フロントダイナミクスmemristors ペトリ皿 (左) で実装され、について述べる (右) メソッドを使ってを写した 2 枚。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
図 6:(A、b) の容器の成長 2 つの memristors とペトリ皿 (c、d) で実装されている 2 つから生成された 4 つの-V グラフ。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
図 7:様々 な距離でチューブを成長に使用されているコンセントを示す写真。
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> />図 8: チャンバーから切断されている原形質のチューブを示す写真。

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A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

粘菌からバイオ memristors を成長する方法

粘菌変形体のマラリア原虫からバイオ memristors を成長法の改良について述べる。このようなメソッドは、成長時間を短縮、コンポーネントの寿命を増やす、電気の観測を標準化、従来の回路に統合することができます保護された環境を作成すると証明しました。

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 ビュー.  Plymouth University. 粘菌変形体のマラリア原虫からバイオ memristors を成長法の改良について述べる。このようなメソッドは、成長時間を短縮、コンポーネントの寿命を増やす、電気の観測を標準化、従来の回路に統合することができます保護された環境を作成すると証明しました。

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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.

タンパク質分解的に分解性3次元システムにおける卵胞のカプセル化と文化のための方法

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

生物工学

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.

ナノサイズの脂質小胞の調製のための一定の圧力制御押出法

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.

DNA折り紙からバイオ応答ロボットの設計

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.

皮膚からのI型コラーゲンの調製のための改良された方法

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.

トラクション力顕微鏡用の細胞培養表面近くのローカライズレポーター蛍光ビーズのための新しい方法

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.

溶剤アシスト脂質二重（SALB）法による生体膜の作製

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.

タンパク質 - 小分子標的薬のスクリーニングのための迅速かつ定量的蛍光法

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.

3D細胞培養のための肺細胞外マトリックスから調整可能なヒドロゲル

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.

スキャフォールド フリー三次元心筋組織構築純金型ベース方式

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.

無細胞タンパク質式を使って急速に成長している細菌ビブリオ natriegens

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