Traduzindo atividades de transferência de elétrons extracelulares com transistores eletroquímicos orgânicos

Resumo

Aqui, apresentamos um protocolo para o uso de transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs) para traduzir a atividade de transferência de elétrons extracelulares (EET) em Shewanella oneidensis em sinais elétricos. O sistema OECT híbrido oferece maior robustez, sensibilidade e potencial para testes rápidos e de alto rendimento, tornando-o uma ferramenta eficaz para medições de EET.

Resumo

A transferência extracelular de elétrons (EET) é um processo pelo qual certos microrganismos podem transferir elétrons através de suas membranas celulares para aceptores externos de elétrons, ligando o metabolismo celular ao seu ambiente. Embora Geobacter e Shewanella tenham sido os principais modelos para a pesquisa de EET, estudos emergentes revelam que as espécies ativas de EET também estão associadas à fermentação e ao microbioma intestinal humano. Aproveitando a capacidade do EET de unir sistemas biológicos e eletrônicos, apresentamos um protocolo para o uso de transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs) para traduzir a atividade microbiana do EET em sinais elétricos facilmente detectáveis. Este sistema permite o uso de respostas celulares a estímulos externos para aplicações de biossensoriamento e biocomputação. Especificamente, demonstramos que a desdopagem do canal poli (3,4-etilenodioxitiofeno) do tipo p: poli (estirenossulfonato) (PEDOT: PSS) no OECT é impulsionada pelo EET celular de Shewanella oneidensis. Ao controlar transcricionalmente o fluxo de EET por circuitos genéticos, estabelecemos a capacidade de biossensoriamento deste sistema híbrido OECT para detectar estímulos químicos, como moléculas indutoras. Além disso, introduzimos portas lógicas booleanas baseadas em plasmídeo dentro das células, permitindo que elas processem sinais ambientais e conduzam mudanças de corrente nos OECTs, demonstrando ainda mais o potencial de biocomputação desses dispositivos. Este método fornece uma nova interface entre sistemas biológicos e eletrônicos, permitindo futuras aplicações de triagem, biossensoriamento e biocomputação de alto rendimento.

Introdução

Dispositivos que podem transduzir e amplificar atividades biológicas e químicas em sinais elétricos são cruciais em vários campos, como sensoriamento ^1,2, computação neuromórfica ^3,4 e eletrônica vestível⁵. Dentre estes, os transistores eletroquímicos orgânicos (OECTs) têm surgido como interfaces excepcionais entre sistemas biológicos e leituras eletrônicas devido à sua compatibilidade com ambientes aquosos e baixas tensões de operação ^6,7

Protocolo

NOTA: Todos os produtos químicos foram usados como recebidos, sem purificação adicional. Se não especificado, produtos químicos de grau analítico foram usados.

1. Fabricação do dispositivo OECT

NOTA: Os OECTs são fabricados em lâminas de microscópio de quartzo usando técnicas de microfabricação padrão adaptadas de trabalhos anteriores²⁴. Conforme mostrado na Figura 2A, oito dispositivos OECT estão dispostos em uma única lâmina padrão. Folhas pré-cortadas de polidimetilsiloxano (PDMS) são colocadas na lâmina para....

Resultados

Constante de taxa ajustada k
A constante de taxa ajustada k da corrente do canal OECT I_DS serve como uma métrica confiável para avaliar a atividade de EET da amostra. Embora as tensões de polarização de porta constantes afetem as constantes de taxa, escolhemos 0,2 V para garantir a polarização positiva para estimular a transferência de elétrons bacterianos, evitando a desdopagem rápida em tensões de porta mais alt.......

Discussão

Comparação de células eletroquímicas (EC)
Uma grande vantagem de ajustar a constante de taxa da corrente do canal OECT é que ela minimiza a variação do dispositivo, concentrando-se na dinâmica subjacente das mudanças de I_DS em vez da saída bruta. Combinada com a capacidade inerente de amplificação de sinal dos OECTs, essa abordagem aumenta a robustez dos sistemas OECT híbridos em comparação com as células eletroquímicas tradicionais (EC). P.......

Materiais

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