Name: assembly and characterization of biomolecular memristors consisting of ion channel-doped lipid membranes
Uploaded: 2019-03-09T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Assembly and Characterization of Biomolecular Memristors Consisting of Ion Channel-doped Lipid Membranes at JoVE.com

وقدم الدعم المالي بالوطني العلم مؤسسة المنح NSF ECCS-1631472. البحث عن G.J.T.، C.D.S.، أ. ب، و C.P.C. وكان جزئيا برعاية مختبر البحوث الموجهة وتطوير البرنامج من مختبر أوك ريدج الوطني، يديرها UT-Battelle، شركة ذات مسؤولية محدودة، "وزارة الطاقة الأمريكية". وقد أجرى جزء من هذه البحوث في المركز "علوم المواد نانوفاسي"، وهو "منشأة" الكيان التشغيلي المعين للمستخدم مكتب العلوم.

1. الاحتياطات والإرشادات العامة
<ol><li>حدد مناسبة، غير التالفة قياس الاختلاط الأواني (قوارير، قنينة، إلخ) ومعدات المختبرات الأخرى (ملاعق، والمجارف، إلخ) للاستخدام.</li>
	<li>التعامل مع الأواني الزجاجية بعناية لتجنب إتلاف، وارتداء قفازات مطاط أو النتريل إلى تجنب تلويث الأواني الزجاجي?...

<ol>
	<li>Thompson, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+neurobiology+of+learning+and+memory.">The neurobiology of learning and memory.</a> Science. 233 (4767), 941-947 (1986).</li><li>Squire, L. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memory+systems+of+the+brain:+a+brief+history+and+current+perspective.">Memory systems of the brain: a brief history and current perspective.</a> Neurobiology of learning and memory. 82 (3), 171-177 (2004).</li><li>Benfenati, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synaptic+plasticity+and+the+neurobiology+of+learning+and+memory.">Synaptic plasticity and the neurobiology of learning and memory.</a> Acta Bio Medica Atenei Parmensis. 78 (1Suppl), 58-66 (2007).</li><li>Marx, G., Gilon, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+molecular+basis+of+memory.">The molecular basis of memory.</a> ACS Chemical Neuroscience. 9 (8), 633-642 (2012).</li><li>Izquierdo, I., Medina, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memory+formation:+the+sequence+of+biochemical+events+in+the+hippocampus+and+its+connection+to+activity+in+other+brain+structures.">Memory formation: the sequence of biochemical events in the hippocampus and its connection to activity in other brain structures.</a> Neurobiology of learning and memory. 68 (3), 285-316 (1997).</li><li>Merolla, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+million+spiking-neuron+integrated+circuit+with+a+scalable+communication+network+and+interface.">A million spiking-neuron integrated circuit with a scalable communication network and interface.</a> Science. 345 (6197), 668-673 (2014).</li><li>Benjamin, B. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neurogrid:+A+mixed-analog-digital+multichip+system+for+large-scale+neural+simulations.">Neurogrid: A mixed-analog-digital multichip system for large-scale neural simulations.</a> Proceedings of the IEEE. 102 (5), 699-716 (2014).</li><li>Furber, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-scale+neuromorphic+computing+systems.">Large-scale neuromorphic computing systems.</a> Journal of neural engineering. 13 (5), 051001 (2016).</li><li>Di Ventra, M., Pershin, Y. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+parallel+approach.">The parallel approach.</a> Nature Physics. 9 (4), 200-202 (2013).</li><li>Chua, L. <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>Di Ventra, M., Pershin, Y. V., 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=Circuit+elements+with+memory:+memristors,+memcapacitors,+and+meminductors.">Circuit elements with memory: memristors, memcapacitors, and meminductors.</a> Proceedings of the IEEE. 97 (10), 1717-1724 (2009).</li><li>Najem, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memristive+Ion+Channel-Doped+Biomembranes+as+Synaptic+Mimics.">Memristive Ion Channel-Doped Biomembranes as Synaptic Mimics.</a> ACS Nano. , (2018).</li><li>Strukov, D. B., Snider, G. S., Stewart, D. R., Williams, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+missing+memristor+found.">The missing memristor found.</a> Nature. 453 (7191), 80-83 (2008).</li><li>Prezioso, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Training+and+operation+of+an+integrated+neuromorphic+network+based+on+metal-oxide+memristors.">Training and operation of an integrated neuromorphic network based on metal-oxide memristors.</a> Nature. 521 (75550), 61-64 (2015).</li><li>Prodromakis, T., Toumazou, C., Chua, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two+centuries+of+memristors.">Two centuries of memristors.</a> Nature Materials. 11 (6), 478 (2012).</li><li>Berzina, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+an+organic+memristor+as+an+adaptive+memory+element.">Optimization of an organic memristor as an adaptive memory element.</a> Journal of Applied Physics. 105 (12), 124515 (2009).</li><li>van de Burgt, Y., Melianas, A., Keene, S. T., Malliaras, G., Salleo, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organic+electronics+for+neuromorphic+computing.">Organic electronics for neuromorphic computing.</a> Nature Electronics. 1, (2018).</li><li>Dan, Y., Poo, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spike+timing-dependent+plasticity:+from+synapse+to+perception.">Spike timing-dependent plasticity: from synapse to perception.</a> Physiological reviews. 86 (3), 1033-1048 (2006).</li><li>Zucker, R. S., Regehr, W. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Short-term+synaptic+plasticity.">Short-term synaptic plasticity.</a> Annual Reviews of Physiology. 64 (1), 355-405 (2002).</li><li>Shepherd, J. D., Huganir, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+cell+biology+of+synaptic+plasticity:+AMPA+receptor+trafficking.">The cell biology of synaptic plasticity: AMPA receptor trafficking.</a> Annual Review of Cell Developmental Biology. 23, 613-643 (2007).</li><li>Taylor, G. J., Venkatesan, G. A., Collier, C. P., Sarles, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+in+situ+measurement+of+specific+capacitance,+monolayer+tension,+and+bilayer+tension+in+a+droplet+interface+bilayer.">Direct in situ measurement of specific capacitance, monolayer tension, and bilayer tension in a droplet interface bilayer.</a> Soft Matter. 11 (38), 7592-7605 (2015).</li><li>Najem, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Activation+of+bacterial+channel+MscL+in+mechanically+stimulated+droplet+interface+bilayers.">Activation of bacterial channel MscL in mechanically stimulated droplet interface bilayers.</a> Scientific Reports. 5, 13726 (2015).</li><li>Taylor, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Capacitive+Detection+of+Low-Enthalpy,+Higher-Order+Phase+Transitions+in+Synthetic+and+Natural+Composition+Lipid+Membranes.">Capacitive Detection of Low-Enthalpy, Higher-Order Phase Transitions in Synthetic and Natural Composition Lipid Membranes.</a> Langmuir. 33 (38), 10016-10026 (2017).</li><li>Taylor, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrophysiological+interrogation+of+asymmetric+droplet+interface+bilayers+reveals+surface-bound+alamethicin+induces+lipid+flip-flop.">Electrophysiological interrogation of asymmetric droplet interface bilayers reveals surface-bound alamethicin induces lipid flip-flop.</a> Biochimica et biophysica acta (BBA)-Biomembranes. , (2018).</li><li>Sarles, S. A., Garrison, K. L., Young, T. T., Leo, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+and+Encapsulation+of+Biomolecular+Arrays+for+Developing+Arrays+of+Membrane-Based+Artificial+Hair+Cell+Sensors.">Formation and Encapsulation of Biomolecular Arrays for Developing Arrays of Membrane-Based Artificial Hair Cell Sensors.</a> Proceedings of the Asme Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems (Smasis 2011), Vol 2. , 663-671 (2011).</li><li>Sarles, S. A., Leo, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Membrane-based+biomolecular+smart+materials.">Membrane-based biomolecular smart materials.</a> Smart Materials &amp; Structures. 20 (9), (2011).</li><li>Sarles, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Physical encapsulation of interface bilayers. , (2010).</li><li>JoVE Science Education Datatbase. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organic+Chemistry+II.+Cleaning+Glassware.">Organic Chemistry II. Cleaning Glassware.</a> Journal of Visualized Experiments. , (2018).</li><li>Taylor, G. J., Sarles, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heating-enabled+formation+of+droplet+interface+bilayers+using+Escherichia+coli+total+lipid+extract.">Heating-enabled formation of droplet interface bilayers using Escherichia coli total lipid extract.</a> Langmuir. 31 (1), 325-337 (2014).</li><li>Shlyonsky, V., Dupuis, F., Gall, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+OpenPicoAmp:+an+open-source+planar+lipid+bilayer+amplifier+for+hands-on+learning+of+neuroscience.">The OpenPicoAmp: an open-source planar lipid bilayer amplifier for hands-on learning of neuroscience.</a> Plos One. 9 (9), e108097 (2014).</li><li>Najem, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micropipette-based+Method+for+Incorporation+And+Stimulation+of+Bacterial+Mechanosensitive+Ion+Channels+in+Droplet+Interface+Bilayers.">Micropipette-based Method for Incorporation And Stimulation of Bacterial Mechanosensitive Ion Channels in Droplet Interface Bilayers.</a> Journal of Visualized Experiments. (105), (2015).</li><li>Bayley, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Droplet+interface+bilayers.">Droplet interface bilayers.</a> Molecular Biosystems. 4 (12), 1191-1208 (2008).</li><li>Nguyen, M., Srijanto, B., Retterer, S., Collier, C. P., Sarles, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamic+trapping+for+rapid+assembly+and+in+situ+electrical+characterization+of+droplet+interface+bilayer+arrays.">Hydrodynamic trapping for rapid assembly and in situ electrical characterization of droplet interface bilayer arrays.</a> Lab on a Chip. 16, 3576-3588 (2016).</li><li>Weiss, R., Najem, J. S., Hasan, M. S., Schuman, C. D., Belianinov, A., Collier, C. P., Sarles, S. A., Rose, G. 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+Soft-Matter+Biomolecular+Memristor+Synapse+for+Neuromorphic+Systems.">A Soft-Matter Biomolecular Memristor Synapse for Neuromorphic Systems.</a> , (2018).</li></ol>

وتعرض هذه الورقة على بروتوكول لتجميع وتميز ميمريستورس الجزيئية البيولوجية استناداً إلى أيون يخدر قناة بيوميمبرانيس الاصطناعية شكلت بين اثنين من قطرات من الماء في النفط. تصميم الجهاز لينة-هذه المسألة، والثاني-الطرفية ودرس إلى: 1) التغلب على القيود المرتبطة بالتكنولوجيا ذات الحالة الصلبة?...

من المسلم به على نطاق واسع أن الاشتباكات العصبية البيولوجية المسؤولة عن كفاءة عالية وهائلة وتوازي الدماغ بسبب قدرتهم على التعلم ومعالجة المعلومات بطرق شديدة التكيف. هذه الوظيفة منسقة ينبثق من متعددة وبالغة التعقيد الآليات الجزيئية التي تدفع كلا اللدونة متشابك قصيرة الأجل وطويلة الأجل2،1،3،،من45. نظم الحوسبة نيورومورفيك تهدف إلى محاكاة وظائف متشابك في مستويات تقترب الكثافة والتعقيد، وكفاءة استخدام الطاقة في الدماغ، والتي هي بحاجة للجيل التالي من أجهزة الكمبيوتر مثل الدماغ6،7 , 8-استنساخ متشابك ميزات استخدام عناصر الدوائر الإلكترونية التقليدية هو ومع ذلك، يكاد يكون من المستحيل9، بدلاً من ذلك يتطلب تصميم وتصنيع عناصر الأجهزة الجديدة التي يمكن أن تتكيف مع الإشارات الواردة وتذكر معلومات تاريخ9. هذه الأنواع من الأجهزة المستوحاة من المشبك معروفة كعناصر mem9،10،11 (الذاكرة قصيرة للعناصر)، التي تعتبرها Di فينترا et al.9،11، من السلبية، الثاني-الطرفية أجهزة المقاومة أو السعة محاثة التي يمكن إعادة تكوين استجابة للمؤثرات الخارجية، والتي يمكن أن تذكر الدول السابقة11. لتحقيق مستويات استهلاك الطاقة تقترب من تلك الموجودة في الدماغ، ينبغي أن تستخدم هذه العناصر مواد وآليات مماثلة اللدونة متشابك12.
حتى الآن، الثاني-الطرفية ميمريستورس13،،من1415 الغالب بنيت باستخدام أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية (CMOS) تكنولوجيا تتميز بتبديل عالية الفولتية وضوضاء عالية. لا يتم تحجيم هذه التكنولوجيا أيضا بسبب استهلاك الطاقة عالية ومنخفضة الكثافة. لمعالجة هذه القيود، أقيمت مؤخرا ميمريستورس العضوية والبوليمر متعددة. ومع ذلك، يحمل هذه الأجهزة ديناميات التحول إلى حد كبير أبطأ بسبب نشر أيون تستغرق وقتاً طويلاً من خلال مصفوفة بوليمر موصل16،17. كنتيجة لذلك، الآليات التي تحاكي كل الأجهزة المستندة إلى CMOS والعضوية ميمريستيفي مستوحاة من المشبك وظائف الظواهر الغاية، يشمل فقط بضع وظائف متشابك مثل سبايك توقيت يعتمد اللدونة (ستدب) 18، في حين تطل على المفتاح الآخر يتميز بأنه أيضا تلعب أدواراً أساسية في جعل الدماغ كمبيوتر قوية وفعالة، مثل اللدونة متشابك مسبقاً، على المدى القصير19.
في الآونة الأخيرة، ادخلنا فئة جديدة من ميمريستيفي الأجهزة12 يضم الببتيدات تنشيط الجهد أدرجت في الأغشية الدهنية المحاكاة البيولوجية الذي يحاكي الجزيئية البيولوجية تكوين وهيكل غشاء، وأيون قناة تشغيل التبديل آليات للاشتباكات العصبية البيولوجية20.  هنا، نحن تصف كيفية تجميع وكهربائيا استجواب هذه الأجهزة الطرفية اثنين، مع تركيز خاص على كيفية تقييم اللدونة قصيرة الأجل لتنفيذ برنامج في الإنترنت تعلم التطبيقات12. الجمعية جهاز يستند إلى أسلوب21 بلير (DIB) واجهة التجميعية التي استخدمت على نطاق واسع في السنوات الأخيرة لدراسة الفيزياء نموذج الأغشية21 وأيون غشاء ربط القنوات22،23، 24، ولبنات البناء لتطوير مواد تستجيب للمنبهات،من25إلى26. نحن تصف عملية غشاء الجمعية والاستجواب بالتفصيل للمهتمين في تطبيقات نيورومورفيك ولكن خبرة في الحيوية أو بيولوجيا الغشاء محدودة. ويشمل البروتوكول أيضا وصفاً كاملا لوصف الإجراء، الذي لا يقل أهمية عملية الجمعية العامة، نظراً لخصائص الجهاز27الكهربائية الحيوية وإعادة التشكيل. نتائج الإجراء والممثل الموصوفة هنا أسس لفئة جديدة منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة ولينة mem-العناصر استناداً إلى واجهات الدهن والجزيئات الحيوية الأخرى للتطبيقات في الحوسبة نيورومورفيك وهياكل الحكم الذاتي والنظم، وحتى واجهات الكمبيوتر الدماغ التكيفية.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1429px;" width="1428">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:22px;width:377px;">1,2-diphytanoy-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC)</td>
			<td style="width:206px;">Avanti Polar Lipids</td>
			<td style="width:183px;">850356P/850356C</td>
			<td style="width:663px;">Purchased as lyophilized powder (P) or in chloroform (C)&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:22px;width:377px;">Agarose&#160;</td>
			<td style="width:206px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:183px;">A9539</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Agarose (0.5g Agarose Tablets)</td>
			<td style="width:206px;">Benchmark</td>
			<td style="width:183px;">A2501</td>
			<td>You can either use the powder form or the tablets&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Alamethicin&#160;</td>
			<td style="width:206px;">AG Scientific</td>
			<td style="width:183px;">A-1286</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Analytical balance&#160;</td>
			<td style="width:206px;">Mettler Toledo</td>
			<td>ME204TE/00</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Axopatch 200B Amplifier&#160;</td>
			<td style="width:206px;">Molecular Devices</td>
			<td style="width:183px;">-</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:22px;width:377px;">BK Precision 4017B 10 MHz DDs Sweep/Function Generator</td>
			<td style="width:206px;">Digi-Key</td>
			<td style="width:183px;">BK4017B-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Borosilicate Glass Capillaries</td>
			<td style="width:206px;">World Precision Instruments</td>
			<td style="width:183px;">1B100F-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Brain Total Lipid Extracts (Porcine)</td>
			<td style="width:206px;">Avanti Polar Lipids</td>
			<td style="width:183px;">131101</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">DigiData 1440A system</td>
			<td style="width:206px;">Molecular Devices</td>
			<td style="width:183px;">-</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Extruder Set With Holder/Heating Block&#160;</td>
			<td style="width:206px;">Avanti Polar Lipids</td>
			<td style="width:183px;">610000</td>
			<td>This includes a mini-extruder, 2 syringes, 100 PC membranes, 100 filter supports, and 1 holder/heating block</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Freezer (-20 &#176;C)</td>
			<td style="width:206px;">VWR International</td>
			<td style="width:183px;">SCUCBI0420AD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Glassware</td>
			<td style="width:206px;">VWR International</td>
			<td style="width:183px;">-</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Hexadecane, 99%</td>
			<td style="width:206px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:183px;">544-76-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Isopropyl Alcohol</td>
			<td style="width:206px;">VWR International</td>
			<td style="width:183px;">BDH1133-4LP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Microelectrode Holder&#160;</td>
			<td style="width:206px;">World Precision Instruments</td>
			<td style="width:183px;">MEH1S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">MOPS</td>
			<td style="width:206px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:183px;">M1254</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:25px;width:377px;">Nitrogen (N2) Gas</td>
			<td style="width:206px;">Airgas</td>
			<td style="width:183px;">UN1066</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Parafilm M All-Purpose Laboratory Film</td>
			<td style="width:206px;">Parafilm</td>
			<td style="width:183px;">PM999</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Powder Free Soft Nitrile Examination Gloves&#160;</td>
			<td style="width:206px;">VWR International</td>
			<td style="width:183px;">CA89-38-272</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Precleaned Microscope Sildes&#160;</td>
			<td style="width:206px;">Fisher Scientific&#160;</td>
			<td style="width:183px;">22-267-013</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Refrigirator (4 &#176;C)</td>
			<td style="width:206px;">VWR International</td>
			<td style="width:183px;">SCUCFS-0504G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Silver wire</td>
			<td style="width:206px;">GoodFellow</td>
			<td>147-346-94</td>
			<td>Different diameters could be used depending on the application&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Sodium Chloride (KCl)</td>
			<td style="width:206px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:183px;">P3911</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">Stirring Hot Plate</td>
			<td style="width:206px;">Thermo Scientific&#160;</td>
			<td style="width:183px;">SP131325</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">VWR Light-Duty Tissue Wipers</td>
			<td style="width:206px;">VWR International</td>
			<td style="width:183px;">82003-820</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:377px;">VWR Scientific 50D Ultrasonic Cleaner</td>
			<td style="width:206px;">VWR International</td>
			<td style="width:183px;">13089</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

assembly and characterization of biomolecular memristors consisting of ion channel-doped lipid membranes

القدرة على إعادة إنشاء وظائف متشابك في عناصر الدارة الاصطناعية أمر ضروري للحوسبة الأنظمة التي تسعى إلى محاكاة القوى المعرفية للدماغ مع الكفاءة قابلة للمقارنة وكثافة نيورومورفيك. وحتى الآن، الترانزستورات الثلاثة--المحطة الطرفية المستندة إلى السليكون والثاني-الطرفية ميمريستورس قد استخدمت على نطاق واسع في الدوائر نيورومورفيك، في جزء كبير منه بسبب قدرتها على مواقع مشتركة في معالجة المعلومات والذاكرة. ولكن هذه الأجهزة لا يمكن تحقيق الترابط والتعقيد في الدماغ لأنها تفشل المتعطشين للسلطة، لمحاكاة الرئيسية وظائف متشابك، وتعاني من ضوضاء عالية وتبديل عالية الفولتية. للتغلب على هذه القيود، ولدينا نمواً وتتميز memristor الجزيئية البيولوجية الذي يحاكي تكوين وهيكل، وخصائص التحويل من الاشتباكات العصبية البيولوجية. هنا، يمكننا وصف عملية تجميع وتميز ميمريستورس الجزيئية البيولوجية تتكون من بلير 5 نانومتر سميكة الدهن تشكيلها بين قطرات الماء دهن فونكتيوناليزيد في النفط ويخدر مع الببتيدات الاميثيسين تنشيط الجهد. في حين استخدمت بروتوكولات الجمعية مماثلة للتحقيق في الخصائص الفيزيائية الأغشية المدعومة من قطرات الدهن وقنوات أيون غشاء زمنياً، تركز هذه المقالة على التعديلات الرئيسية لأسلوب الحبرية بلير الواجهة الأساسية تحقيق الأداء memristor متسقة. على وجه التحديد، نحن وصف عملية إعداد الحويصلية وإدراج الببتيدات الاميثيسين في أغشية بلير الدهن، وتركيزات ملائمة كل التأسيسية، فضلا عن تأثيرها على الاستجابة الشاملة ميمريستورس. ونحن أيضا بالتفصيل عملية توصيف ميمريستورس الجزيئية البيولوجية، بما في ذلك قياس وتحليل العلاقات الحالية الفولت ميمريستيفي التي تم الحصول عليها عن طريق فولتاميتري دوري، فضلا عن اللدونة قصيرة الأجل والتعلم استجابة المجوعات الجهد نبض القطارات.

الشكل 1 يعرض برنامج الإعداد التجريبية المستخدمة لتجميع وتميز memristor الجزيئية البيولوجية. خفض ينتهي مجاناً من أقطاب كهربائية إلى أسفل خزان النفط، كما هو مبين في الشكل 1 باء، وتبين أنه من المفيد لتقليل الاهتزازات من أقطاب وقطرات يمكن أن تؤدي إلى اختلافات في ال...

Watch this Scientific Journal Video about Assembly and Characterization of Biomolecular Memristors Consisting of Ion Channel-doped Lipid Membranes at JoVE.com

Assembly and Characterization of Biomolecular Memristors Consisting of Ion Channel-doped Lipid Membranes

لينة، طاقة منخفضة، ميمريستورس الجزيئية البيولوجية الاستفادة من تكوين مماثل، هيكل، وتبديل آليات للاشتباكات العصبية الحيوية. المقدمة هنا هو بروتوكول لتجميع وتميز ميمريستورس الجزيئية البيولوجية الحصول من العزل بيلاييرس الدهن شكلت بين قطرات الماء في النفط. إدراج نتائج الببتيدات الاميثيسين تنشيط الجهد في الموصلية الأيونية ميمريستيفي عبر الغشاء.

الجمعية وتوصيف ميمريستورس الجزيئية البيولوجية تتكون من الأغشية الدهنية قناة أيون يخدر

The ability to recreate synaptic functionalities in synthetic circuit elements is essential for neuromorphic computing systems that seek to emulate the ...

يصف بروتوكولنا كيفية تجميع وميز كهربائيًا لmembrane حيويًا من الببتيد الذي يحاكي عن كثب تكوين وبنية وخصائص النقل من نقاط الاشتباك العصبي البيولوجية والتي تعرض مقاومة الذاكرة القابلة للتواؤم. هذه التقنية تمكن المستخدمين من تقييم تعتمد على النشاط، ومقاومة الذاكرة واللدونة على المدى القصير في النظم هندسيا في المقاييس الزمنية ومستويات الإثارة ذات الصلة إلى نقاط الاشتباك العصبي البيولوجية والقنوات أيون. توفر هذه التقنية إطارًا لتوصيف الأغشية الحيوية التي تحتوي على القنوات الأيونية المنشطة بالجهد ، مما يجعلها قابلة للتطبيق على توصيف مجموعة متنوعة من عمليات النقل الخلوي ، بما في ذلك تلك الموجودة في الخلايا العصبية.اقتراحنا للباحثين الجدد هو أن تصبح أولا يتقن في إعداد حلول liposome وتجميع ثنائية واجهة قطرة على أقطاب سلكية من نوع. رؤية مباشرة عملية الاستغناء عن قطرات وتحديد المواقع على الأقطاب يبسط هذه التقنية لتشكيل bilayer، مما يجعلها متاحة على الفور للجميع. إثبات هذا الإجراء سيكون الدكتور جوزيف نجم، وهو ما بعد الدكتوراه من مختبري.للبدء، وإعداد محلول الأسهم alamethicin في أنبوب microcentrifuge عن طريق حل مسحوق الببتيدات alamethicin في الإيثانول إلى تركيز نهائي من 2.5 ملليغرام لكل ملليلتر. دوامة الأنبوب لفترة وجيزة لخلط جيدا، وتخزين حل الأسهم في الفريزر ناقص 20 درجة مئوية. في أنبوب 1.5 milliliter Safe-Lock، إضافة ميكرولتر واحد من محلول الأسهم alamethicin إلى 99 ميكرولترات من الحل A لتحقيق تركيز اللاميتين النهائي من 13 ميكروموللار في تعليق liposome.دوامة لخلط جيدا. الحل الناتج ليبسومات الببتيد هو الحل B.Mix 117 ميكرولترات من الحل A مع 10 ميكرولترات من الحل B لتحقيق تركيز اللاثيثيين النهائي من مجهر واحد، ومن ثم دوامة لخلط جيدا. الرجوع إلى الحل الناتج كـ C.Store الحلول B و C في أربع درجات مئوية.ضع 25 مرة من 75 ملليمتر من الزجاج 75 ملليمترا سميكة من ملليمتر على خشبة المسرح من المجهر المقلوب. الاستغناء عن بضع قطرات من زيت الهكاديك على مركز الشريحة الزجاجية، ومن ثم وضع خزان النفط مباشرة على النفط على الشريحة الزجاجية. ملء تماما خزان النفط مع زيت الهكاديكا.تأكد من وضع الخزان فوق العدسة الهدف. ثم قم بتوصيل حامل القطب إلى المرحلة الرأسية لمكبر للصوت الحالي المثبت على ميكرومانيبولاتور. ويقلل المايكرومانيبولاتر من طول الأقطاب الكهربائية والضوضاء الكهربائية.ثم، جبل حامل الزجاج micropipette مع الأسلاك الفضية الفضية كلوريد الثاني على ميكرو مانايبولاتور آخر. باستخدام micromanipulators، وضع الأقطاب الكهربائية بحيث يتم غمر النصائح المغلفة agarose المغلفة من أسلاك كلوريد الفضة والفضة تماما في خزان النفط في مستوى عمودي مماثل. محاذاة اثنين من القطبين وفصلها من قبل بضعة ملليمترات.لتشكيل ثنائية الدهون، نقل الأقطاب عموديا في مرحلة النفط. استخدام micropipette لإيداع 200 نانولترات من محلول الدهون A على كل من الأسلاك. انتظر لمدة ثلاث إلى خمس دقائق للسماح لتجميع أحادي الطبقة الدهنية التلقائية في واجهة زيت الماء.قد تترهل القطرات إذا كان الزيت المحيط أقل كثافة بما فيه الكفاية. بعد ذلك، خفض الأقطاب الكهربائية لإعادة غمر حتى نهايات كلا القطبين بالكاد تلمس الجزء السفلي من خزان النفط. ثم لتشكيل bilayer، تحريك الأقطاب أفقيا لجعل قطرات في اتصال.للحصول على مقروص، الرحمية، العلاقة التيار الجهد، واستخدام مولد وظيفة لتطبيق الموجي الجهد الثلاثي أو الجيوب الأنفية إلى غشاء الدهون alamethicin خالية تجميعها مع قطرات من الحل A.Record الاستجابة الحالية المستحثة عبر ترددات متعددة. لتسجيل حجم ثنائي الدهون بين الوجهين، إما قياس قطر غشاء الدهون على الكمبيوتر أو تسجيل السعة الحالية من الذروة إلى الذروة الناتجة عن 10 هرتز، 10 ملليمترات موجة مثلثة لحساب مساحة الغشاء. أخرج الأسلاك من مرحلة الزيت لإزالة القطرات التي لا تحتوي على اللاميتيثين.إضافة قطرات مائي جديد باستخدام الحل C وتشكيل ثنائي الدهون. استنادا إلى السعة الحالية موجة مربعة، واستخدام micromanipulators لضبط الاتصال بين قطرات، بحيث ثنائية لديها منطقة مماثلة لتلك التي شكلت في وقت سابق. ثم تطبيق 10 هرتز و 10 ملليفولت شكل موجة الجهد، وتسجيل الاستجابة الحالية المستحثة كما سابقا.لإجراء تجارب النبض باستخدام برامج برمجة مخصصة ومصدر جهد تناظري ، قم بتوليد نبضات الجهد مع السعات العالية والمنخفضة المحددة في الوقت المحدد و الوقت. سجل التيار استجابة للبقول التطبيقية. المؤامرة من التيار مقابل الجهد يظهر الاستجابة الحالية غير صفر على تطبيق التحيز الجهد لbilayer الدهون اللاميتين خالية.إضافة 0.017 هيرتز، تردد حيث تهيمن على مقاومة الغشاء. تظهر استجابة منخفضة أومّي الحالية للغشاء العازل للغاية. مؤامرة من ثنائي الدهون شكلت بين اثنين من قطرات تحتوي على الببتيدات alamethicin يظهر أضعافا مضاعفة التيارات في الفولتية أعلى من عتبة الإدراج من 100 millivolts.في الجهد العالي، الببتيدات alamethicin المقيمين على سطح ثنائية الطبقة الدهون إدراج في الغشاء والتجميع لتشكيل المسام موصل. الردود الحالية المتماثلة في كلا الاستقطابين يرجع إلى إدخال وتجميع مجموعات منفصلة من الببتيدات من طرفي الغشاء المتقابلين. يجب طرح التيار السعة من مجموع الحالية للحصول على فقط memristive، مقروص استجابة التيار الجهد.استجابة memristor الجزيئية الحيوية لنبضات الجهد اللاحقة مع زيادة في الاتّجاه خلال الوقت المحدد، على الرغم من استعادة حالة عازلة بشكل متقطع خلال كل وقت. ويسهم كل من الحوافز الحالية والمحفزات السابقة في الزيادة الحالية. يجب أن تتشكل الطبقات الأحادية المتماسكة على كل من القطرات قبل جمعها معًا لتشكيل الطبقة الثنائية.إذا تم جمع قطرات معا في وقت مبكر جدا، فإنها تتضافر ويتم تشكيل أي bilayer. نحن الآن تصميم وتصنيع, microfluidic الشبكات العصبية قاعدة تتكون من الخلايا العصبية الحالة الصلبة متصلة من قبل نقاط الاشتباك العصبي غشاء معتمد من قبل تحسين استيعاب شبكة من أجهزة الكمبيوتر العملاقة عالية الأداء في ORNL. هذه memristors هي أول من تكوين، وهيكل، وآلية التبديل، ونقل أيونات نقاط الاشتباك العصبي البيولوجية.وبالتالي فهي توفر أساس الجزيئات الحيوية مفروشة إضافة إلى مثل الدماغ الحوسبة والذاكرة.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Bioengineering

Unit 1

Alternating-Current Circuits

SCIENTISTS IN ACTION

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS)

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor IRIS

اكتشاف الجزيئية البيولوجية توظيف الانعكاس التداخل التصوير الاستشعار (IRIS)

The sensitive measurement of biomolecular interactions has use in many fields and industries such as basic biology and microbiology, ...

Synthesis, Assembly, and Characterization of Monolayer Protected Gold Nanoparticle Films for Protein Monolayer Electrochemistry

التوليف ، والجمعية ، وتوصيف أحادي الطبقة المحمية الجسيمات النانوية الذهبية للأفلام كهربية البروتين أحادي الطبقة

Colloidal gold nanoparticles protected with alkanethiolate ligands called monolayer protected gold clusters (MPCs) are synthesized and subsequently ...

Isolation of Cellular Lipid Droplets: Two Purification Techniques Starting from Yeast Cells and Human Placentas

عزل الخلوية الدهون قطرات: اثنان تقنيات تنقية بدءا من خلايا الخميرة ومشيمة الآدمي

Lipid droplets are dynamic organelles that can be found in most eukaryotic and certain prokaryotic cells. Structurally, the droplets consist of a core of ...

Isolation and Characterization Of Chimeric Human Fc-expressing Proteins Using Protein A Membrane Adsorbers And A Streamlined Workflow

عزل وتوصيف البروتينات التعبير عن مدينة Chimeric الإنسان باستخدام البروتين A غشاء Adsorbers وسير عمل مبسطة

Laboratory scale to industrial scale purification of biomolecules from cell culture supernatants and lysed cell solutions can be accomplished using ...

Micropatterning and Assembly of 3D Microvessels

Micropatterning وجمعية Microvessels 3D

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass ...

Merging Ion Concentration Polarization between Juxtaposed Ion Exchange Membranes to Block the Propagation of the Polarization Zone

دمج ايون الاستقطاب التركيز بين جنبا إلى جنب التبادل الأيوني الأغشية لمنع الانتشار من منطقة الاستقطاب

The ion concentration polarization (ICP) phenomenon is one of the most prevailing methods to preconcentrate low-abundance biological samples. The ICP ...

A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

طريقة لزراعة بيو-ميمريستورس من الوحل العفن

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

Detection of Endotoxin in Nano-formulations Using Limulus Amoebocyte Lysate (LAL) Assays

Detection of Endotoxin in Nano-formulations Using Limulus Amoebocyte Lysate LAL Assays

كشف الذيفان في تركيبات النانو باستخدام فحوصات ليستي (ال) أموبوسيتي ليمولوس

When present in pharmaceutical products, a Gram-negative bacterial cell wall component endotoxin (often also called lipopolysaccharide) can cause ...

Growth and Characterization of Irradiated Organoids from Mammary Glands

نمو وتوصيف العضوية المشعة من الغدد الثديية

Organoids derived from the digested tissue are multicellular three-dimensional (3D) constructs that better recapitulate in vivo conditions than cell ...

Focused Ion Beam Lithography to Etch Nano-architectures into Microelectrodes

تخطيط الاشعه الايونيه المركزة لحفر نانو-البنيات في ميكرواقطاب

With advances in electronics and fabrication technology, intracortical microelectrodes have undergone substantial improvements enabling the production of ...