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

Financiële steun werd voorzien door de National Science Foundation Grant NSF ECCS-1631472. Onderzoek voor G.J.T., C.D.S., A.B., en C.P.C. was gedeeltelijk gesponsord door het laboratorium gericht onderzoek en ontwikkeling programma van Oak Ridge National Laboratory, beheerd door UT-Battelle, LLC, voor het Amerikaanse ministerie van energie. Een deel van dit onderzoek werd uitgevoerd in het midden voor Nanophase Materials Sciences, die een DOE-Office van wetenschap gebruiker faciliteit is.

1. algemene instructies en voorzorgsmaatregelen
<ol><li>Selecteer geschikt, onbeschadigd meten/mengen glaswerk (bekers, kolven, etc.) en andere labware (spatels, bolletjes, enz.) voor gebruik.</li>
	<li>Omgaan met glaswerk zorgvuldig om te voorkomen beschadiging van, en het dragen van latex of nitril handschoenen om te voorkomen dat besmetting van het glaswerk/labware met residuen van vingertoppen en ter bescherming van uw huid.</li>
	<li>Schone gekozen glaswerk/labware grondig met behulp van reiniging...

<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>

Dit document stelt een protocol voor het monteren en karakteriseren van biomoleculaire memristors afhankelijk van de ion kanaal-doped synthetische biomembranen gevormd tussen twee druppeltjes van water in olie. Het zachte materiaal, twee-terminal apparaat is ontworpen en studeerde tot: 1) overwinnen beperkingen die gekoppeld aan solid-state technologie, zijn zoals hoge ruis, hoog energieverbruik en hoog het schakelen van spanningen, 2) nauwer na te bootsen de samenstelling, structuur over te schakelen van mechanismen voo...

Het wordt algemeen erkend dat biologische synapsen verantwoordelijk zijn voor de hoge procesefficiëntie en de enorme parallellisme van de hersenen als gevolg van hun vermogen om te leren en informatie in zeer adaptieve manieren verwerken. Deze gecoördineerde functionaliteit blijkt uit meerdere, zeer complexe moleculaire mechanismen die rijden zowel kortetermijn- en langetermijnmaatregelen synaptische plasticiteit1,2,3,4,5. Neuromorphic computersystemen willen emuleren synaptic functionaliteiten op niveaus nadert de dichtheid, de complexiteit en de energie-efficiëntie van de hersenen, die nodig zijn voor de volgende generatie van hersenen-achtige computers6,7 , 8. synaptic functies met behulp van elementen van de traditionele elektronische schakeling te reproduceren is echter vrijwel onmogelijk9, in plaats daarvan vereist het ontwerp en de fabricage van nieuwe hardware-elementen die kunnen passen aan inkomende signalen en vergeet niet informatie geschiedenissen9. Deze types van synapse-geïnspireerde hardware staan bekend als mem-elementen9,10,11 (afkorting van geheugenelementen), die volgens Di Ventra et al.9,11, passieve, twee-terminal apparaten waarvan weerstand, capaciteit of inductie kan opnieuw worden geconfigureerd in reactie op externe prikkels, en die voorafgaande Staten11kan herinneren. Om energieverbruik nadert die in de hersenen, deze elementen moeten in dienst soortgelijke materialen en mechanismen voor de Synaptische plasticiteit12.
Tot op heden zijn twee-terminal memristors13,14,15 overwegend gebouwd met behulp van aanvullende metal-oxide-semiconductor (CMOS) technologie, gekenmerkt door hoge-switching spanningen en hoge ruis. Deze technologie schaalt niet goed vanwege het hoge energieverbruik en lage dichtheid. Om aan deze beperkingen, zijn onlangs meerdere organische en polymere memristors gebouwd. Deze apparaten vertonen echter aanzienlijk langzamer switch dynamiek als gevolg van de tijdrovende ion verspreiding via een geleidend polymeer matrix16,17. Dientengevolge, zijn de mechanismen waarmee beide apparaten CMOS-gebaseerde en biologische memristive synapse-geïnspireerde functionaliteiten emuleren zeer fenomenologische, omvat slechts een paar synaptic functionaliteiten zoals Spike Timing afhankelijk plasticiteit (STDP) 18, terwijl met uitzicht op andere belangrijke functies die spelen ook een essentiële rol in het maken van de hersenen een krachtige en efficiënte computer, zoals vooraf synaptic, op korte termijn plasticiteit19.
We introduceerde onlangs, een nieuwe klasse van memristive apparaten12 met spanning-geactiveerde peptiden biomimetische lipide membranen opgenomen die de Biomoleculaire samenstelling, membraan structuur en ion geactiveerd kanaal schakelen bootst mechanismen van biologische synapsen20.  Hier beschrijven we hoe te monteren en elektrisch ondervragen van deze twee-terminal-apparaten, met specifieke focus op hoe te te evalueren op korte termijn plasticiteit voor uitvoering in online leren toepassingen12. Vergadering van het apparaat is gebaseerd op de druppel interface dubbelgelaagde (DIB)21 -methode, die is gebruikt uitgebreid in de afgelopen jaren te studeren de biofysica van model membranen21 en membraan-gebonden ion kanalen22,23, 24, en als bouwstenen voor de ontwikkeling van prikkels-responsieve materialen25,26. We beschrijven het membraan vergadering ondervraging proces en in detail voor diegenen die geïnteresseerd zijn in neuromorphic toepassingen maar beperkte ervaring in biomaterialen of membraan biologie. Het protocol bevat ook een volledige beschrijving van de procedure van karakterisering, die net zo belangrijk als het proces van de vergadering is, gezien de dynamische en herconfigureerbare elektrische eigenschappen van het apparaat-27. De procedure en vertegenwoordiger resultaten die hier worden beschreven zijn fundamenten voor een nieuwe klasse van low cost, low-power, zachte mem-elementen op basis van lipide interfaces en andere biomoleculen voor toepassingen in de neuromorphic computing, autonome structuren en systemen, en zelfs adaptieve hersenen-computer interfaces.

<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

De mogelijkheid om te recreëren synaptic functionaliteiten in synthetische schakelingselementen is essentieel voor neuromorphic computersystemen die streven naar emuleren de cognitieve bevoegdheden van de hersenen met een vergelijkbare efficiëntie en dichtheid. Tot op heden, hebben silicium gebaseerde drie-terminal transistors en twee-terminal memristors wijd gebruikt in neuromorphic schakelingen, grotendeels vanwege hun vermogen om mede Zoek informatieverwerking en geheugen. Maar deze apparaten de interconnectiviteit en de complexiteit van de hersenen niet bereiken omdat ze macht-hongerige, niet belangrijkste Synaptische functionaliteiten nabootsen, en lijden hoge ruis en hoge spanningen te schakelen. Deze beperkingen wilt opheffen, hebben wij ontwikkeld en een biomoleculaire memristor die de samenstelling, structuur en switch kenmerken van biologische synapsen bootst gekenmerkt. Hier beschrijven we het proces van de montage en karakterisering van biomoleculaire memristors bestaande uit een 5 nm-dikke lipide dubbelgelaagde gevormd tussen lipide-matiemaatschappij waterdruppeltjes in olie en doped met spanning-geactiveerde alamethicin peptiden. Terwijl soortgelijke vergadering protocollen zijn gebruikt voor het onderzoeken van biofysische eigenschappen van druppel-ondersteunde lipide membranen en membraan-gebonden ionenkanalen, dit artikel richt zich op de belangrijkste wijzigingen van de druppel dubbelgelaagde interfacemethode essentieel voor het bereiken van overeenstemming memristor prestaties. Specifiek, beschrijven we het voorbereidingsproces liposoom en de opneming van alamethicin peptiden in lipide dubbelgelaagde membranen en de juiste concentraties van elk bestanddeel, alsmede hun impact op de algehele reactie van de memristors. Wij ook detail de karakterisering van proces van biomoleculaire memristors, met inbegrip van meting en analyse van memristive stroom-spanning relaties verkregen via cyclische voltammetrie, evenals op korte termijn plasticiteit en leren in reactie op Stapsgewijze spanning pulse treinen.

Figuur 1 toont de experimentele opzet gebruikt te monteren en de memristor biomoleculaire karakteriseren. Verlaging van de vrije uiteinden van de elektroden naar de bodem van het reservoir van olie, zoals weergegeven in Figuur 1b, bleek nuttig om te minimaliseren van de trillingen van de elektroden en druppeltjes die leiden variaties in gemeten huidige en dubbelgelaagde gebied, vooral in gevallen tot kunnen waar de stookolie kunt genereren convectieve stroom in ...

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

Zacht, low-power, biomoleculaire memristors hefboomwerking dezelfde samenstelling, structuur en omschakeling van de mechanismen van de bio-synapsen. Hier gepresenteerd is een protocol te monteren en karakteriseren van biomoleculaire memristors verkregen isolerende lipide bilayers gevormd tussen waterdruppeltjes in olie. De opneming van spanning-geactiveerde alamethicin peptiden resultaten in de Ionische huidgeleiding memristive over het membraan.

Vergadering en karakterisering van biomoleculaire Memristors bestaande uit ionkanaal-doped lipide membranen

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

Ons protocol beschrijft hoe te monteren en elektrisch karakteriseren een peptide-doped biomembrane die nauw nabootst de samenstelling, structuur, en transport eigenschappen van biologische synapsen en die tunable geheugenweerstand vertoont. Deze techniek stelt gebruikers in staat om activiteitsafhankelijke, geheugenbestendigheid en kortdurende plasticiteit in gemanipuleerde systemen te beoordelen op tijdschalen en excitatieniveaus die relevant zijn voor biologische synapsen en ionenkanalen. Deze techniek biedt een kader voor het karakteriseren van biomimetische membranen die voltage-geactiveerde ionkanalen bevatten, waardoor het van toepassing is op karakterisering van een verscheidenheid aan cellulaire transportprocessen, waaronder die in neuronen.Onze suggestie aan nieuwe onderzoekers is om eerst bedreven te worden in het voorbereiden van liposoom oplossingen en het monteren van een druppelinterface bilayer op draad-type elektroden. Het zien van het proces voor droplet dispensing en positionering op elektroden vereenvoudigt deze techniek voor bilayer vorming, waardoor het onmiddellijk toegankelijk is voor iedereen. Het aantonen van deze procedure zal Dr.Joseph Najem zijn, een postdoc uit mijn laboratorium.Om te beginnen, bereid de alamethicine voorraad oplossing in de microcentrifuge buis door het oplossen van de alamethicine peptiden poeder in ethanol tot een uiteindelijke concentratie van 2,5 milligram per milliliter. Vortex de buis kort goed te mengen, en bewaar de voorraad oplossing in een min 20 graden Celsius vriezer. Voeg in een 1,5 milliliter Safe-Lock-buis een microliter alamethicinevoorraadoplossing toe aan 99 microliters van oplossing A om een uiteindelijke alamethicineconcentratie van 13 micromolar in de liposoomsususpensie te bereiken.Vortex om goed te mengen. De resulterende peptide liposoom oplossing is oplossing B.Mix 117 microliters van oplossing A met 10 microliters van oplossing B om een definitieve alamethicine concentratie van een micromoer te bereiken, en vervolgens vortex goed te mengen. Raadpleeg de resulterende oplossing als C.Store de oplossingen B en C op vier graden Celsius.Plaats een één millimeter dikke 25 keer 75 millimeter glaskant op het stadium van een omgekeerde microscoop. Doe een paar druppels hexadecane olie op het midden van de glazen glijbaan en plaats het oliereservoir direct op de olie op de glazen glijbaan. Vul het oliereservoir volledig met hexadecane olie.Zorg ervoor dat het reservoir boven de objectieflens is geplaatst. Sluit vervolgens de elektrodehouder aan op het hoofdstadium van een huidige versterker die op een micromanipulator is gemonteerd. De micromanipulator minimaliseert de lengte van de elektrode en elektrisch geluid.Monteer vervolgens de glazen micropipethouder met de tweede zilverzilverchloridedraad op een andere micromanipulator. Met behulp van de micromanipulatoren, plaats de elektroden zodanig dat de agarose-gecoate uiteinden van de zilver-zilver-chloride draden volledig ondergedompeld in het oliereservoir op een soortgelijk verticaal vlak. Lijn de twee elektroden uit en scheid ze met een paar millimeter.Om de lipide bilayer te vormen, beweegt u de elektroden verticaal in de oliefase. Gebruik de micropipet om 200 nanoliter lipideoplossing A op elk van de draden te deponeren. Wacht drie tot vijf minuten om spontane lipide monolayer montage te laten optreden op de waterolie-interface.Druppels kunnen verzakken als de omringende olie voldoende dicht is. Daarna, lager de elektroden opnieuw onder te dompelen totdat de uiteinden van beide elektroden nauwelijks raken de bodem van het oliereservoir. Om vervolgens de bilayer te vormen, beweegt u de elektroden horizontaal om de druppels in contact te brengen.Om de beknelde, hysteretische, stroom-voltage relatie te verkrijgen, gebruik een functie generator om driehoekige of sinusoïdale spanning golfvorm toe te passen op een alamethicine-vrije lipide membraan geassembleerd met druppels van oplossing A.Record de geïnduceerde stroomrespons over meerdere frequenties. Om de grootte van de interfaciale lipide bilayer vast te leggen, meet u de diameter van het lipidemembraan op de computer of registreert u de piek-tot-piekstroomamplitude als gevolg van de driehoekige golf van 10 hertz, 10 millivolt om het gebied van het membraan te berekenen. Haal de draden uit de oliefase om de druppels die geen alamethicine bevatten te verwijderen.Voeg nieuwe waterige druppels toe met oplossing C en vorm een lipide bilayer. Op basis van de vierkante golf stroom amplitude, gebruik maken van de micromanipulatoren om het contact tussen druppels aan te passen, zodanig dat de bilayer heeft een vergelijkbaar gebied als de eerder gevormde. Breng vervolgens een spanningsgolfvorm van 10 hertz en 10 millivolt aan en neem de geïnduceerde huidige respons op zoals eerder.Om pulsexperimenten uit te voeren met behulp van een aangepaste programmeersoftware en analoge spanningsbron, genereert u spanningspulsen met specifieke hoge en lage amplitudes op tijd en uit. Nota van de stroom in reactie op toegepaste pulsen. De plot van de stroom versus spanning toont de niet-nul stroom reactie bij toepassing van een spanning bias op een alamethicine-vrije lipide bilayer.Voeg 0,017 hertz toe, een frequentie waarbij de impedantie wordt gedomineerd door membraanweerstand. Een lage ohmische stroomrespons wordt getoond voor het sterk isolerende membraan. De plot van een lipide bilayer gevormd tussen twee druppels met alamethicine peptiden toont exponentieel stijgende stromingen bij spanningen hoger dan de invoegdrempel van 100 millivolt.Bij hoge spanning, alamethicine peptiden woonachtig aan het oppervlak van de lipide bilayer invoegen in het membraan en aggregaat te vormen geleidende poriën. De symmetrische stroomreacties bij beide polariteiten is te wijten aan het inbrengen en aggregatie van afzonderlijke populaties peptiden van tegenovergestelde zijden van het membraan. De capacitieve stroom moet worden afgetrokken van de totale stroom om alleen de memristive, geknepen hysterese stroomspanningsrespons te verkrijgen.De biomoleculaire memristor respons op de daaropvolgende spanning pulsen met een toename van de geleiding tijdens de op tijd, ondanks met tussenpozen het herstel van een isolerende toestand tijdens elke vrije tijd. Zowel de huidige stimulus als eerdere stimuli dragen bij aan de huidige toename. Samenhangende monolagen op beide druppels moeten zich vormen voordat ze samen komen om de bilayer te vormen.Als de druppels te vroeg bij elkaar worden gebracht, smelten ze samen en wordt er geen bilayer gevormd. We zijn nu het ontwerpen en fabriceren van, microfluïde basis neurale netwerken bestaande uit solid state neuronen verbonden door membraan-gebaseerde synapsen ondersteund door netwerk assimilatie optimalisatie van high-performance supercomputers bij ORNL. Deze memristors zijn de eersten met de samenstelling, structuur, schakelmechanisme en ionentransport van biologische synapsen.Ze bieden dus een biomoleculaire basis ingericht toe te voegen hersenen-achtige computing en geheugen.

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

Biomoleculaire Detectie gebruik de interferometrische reflectie Imaging Sensor (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

Synthese, Vergadering, en de karakterisatie van monolaag Protected gouden nanodeeltjes Films voor eiwit monolaag Elektrochemie

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

Isolatie van Cellulaire lipidedruppeltjes: Twee zuiveringstechnieken Vanaf gistcellen en Human placenta

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

Isolatie en karakterisering van chimerische menselijke fc-uitdrukkende eiwitten met behulp van eiwitten een membraanadsorbers en een gestroomlijnde workflow

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 en montage van 3D microvaten

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

Het samenvoegen van Ion Concentratie polarisatie tussen Naast elkaar Ion Exchange membranen aan de voortplanting van de Polarisatie Zone blokkeren

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

Een methode voor het kweken van Bio-memristors uit Slime schimmel

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

Detectie van endotoxinen in Nano-formuleringen gebruiken Limulus Amoebocyte Lysate (LAL) testen

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

Groei en karakterisering van bestraalde Organoids van de borstklieren

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

Gerichte ionen straal-lithografie voor etch nano-architecturen in micro elektroden

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