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

תמיכה כספית סופק על ידי הלאומית למדע קרן גרנט NSF מרכזים לגיל הרך-1631472. מחקר על G.J.T., דיסקים, א. ב., C.P.C. הייתה חלקית בחסות המעבדה ביימה ומחקר ופיתוח תוכנית של אלון רכס המעבדה הלאומית, המנוהל על-ידי UT-Battelle, LLC, עבור מחלקת האנרגיה של ארצות הברית. חלק של מחקר זה נערך במרכז עבור Nanophase חומרים מדעי, אשר DOE Office של המשתמש מתקן מדעי.

1. כללי הוראות הזהירות
<ol><li>בחר מתאימים, ניזוק מדידה/ערבוב כלי זכוכית (מבחנות, ספלים, וכו ') ואת אחרים מכשור מעבדתי (מלקחיים, כפות וכו ') לשימוש.</li>
	<li>להתמודד עם כלי זכוכית בקפידה כדי למנוע נזק, יש ללבוש כפפות latex או nitrile כדי להימנע מזיהום הזכוכית/מכשור מעבדתי עם משקעים מכל קצות האצבעו?...

<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>

מאמר זה מציג פרוטוקול עבור הרכבת ואפיון בהתבסס על יון מסטול-ערוץ סינתטי biomembranes הנוצרת בין שתי טיפות מים בשמן memristors למערכות ביולוגיות. המכשיר רך-עניין, שני-מסוף מיועד ולמד כדי: 1) ולהתגבר על אילוצים הקשורים בטכנולוגיה של מצב מוצק, כגון רעש גבוהה, צריכת אנרגיה גבוהה, גבוהה מיתוג מתח, קרוב יותר ...

זה מוכר ברבים הסינפסות ביולוגי אחראים על יעילות גבוהה של ההקבלה העצום של המוח עקב יכולתם ללמוד ולעבד מידע בדרכים מאוד גמישים. פונקציונליות זו מתואמת מגיח מרובים, המנגנונים המולקולריים מורכב באותו הכונן שני פלסטיות סינפטית לטווח קצר ולטווח ארוך1,2,3,4,5. מערכות מיחשוב מטריצת לכוון כדי לחקות את פונקציות סינפטית ברמות מתקרב את צפיפות, מורכבות ויעילות אנרגיה של המוח, אשר נדרשים עבור הדור הבא של המחשבים, כמו המוח6,7 , 8. שכפול תכונות סינפטית באמצעות אלמנטים מסורתיים מעגלים אלקטרוניים זאת, כמעט בלתי אפשרי9, במקום לדרוש את עיצוב, ייצור רכיבי חומרה חדשים יכולים להסתגל אותות נכנסות וזכור מידע ההיסטוריה9. סוגים אלה של חומרה בהשראה סינפסה ידועים כמו mem-אלמנטים9,10,11 (זיכרון קצר עבור רכיבים), אשר, על פי Di Ventra et al.9,11, הם פסיביים, שני-מסוף התקנים אשר ההתנגדות, קיבול או השראות יכול לקבוע מחדש את תצורת בתגובה לגירויים חיצוניים, אשר זוכר הברית מוקדמת11. כדי להשיג רמות צריכת האנרגיה מתקרב אלו במוח, רכיבים אלה צריך להעסיק מנגנוני הפלסטיות הסינפטית12וחומרים דומים.
עד כה, שני-טרמינל memristors13,14,15 בעיקר נבנו בטכנולוגיית משלימים מתכת-מוליך-למחצה (CMOS), המאופיינת על ידי מיתוג גבוהה המתחים ורעש גבוה. טכנולוגיה זו אינה סקיילבילית טוב עקב צריכת חשמל גבוהה וצפיפות נמוכה. כדי לטפל מגבלות אלה, memristors פולימריים ואורגניים רבים נבנו לאחרונה. עם זאת, התקנים אלה התערוכה dynamics מיתוג לאט יותר באופן משמעותי בשל יון גוזלת זמן דיפוזיה דרך16,מטריקס17פולימר מוליך. כתוצאה מכך, המנגנון שבאמצעותו שני מכשירים מבוססי ה-CMOS ואורגניים memristive לחקות בהשראה סינפסה פונקציות הם מאוד הפנומנולוגי, המקיף רק כמה סינפטית פונקציות כמו ספייק בתזמון התלוי פלסטיות (STDP) 18, בזמן המשקיפה על המפתח השני כולל את זה גם לשחק תפקידים חיוניים בקבלת המוח מחשב חזק ויעיל, כגון פלסטיות סינפטית מראש, לטווח קצר19.
לאחרונה השקנו מחלקה חדשה של memristive התקנים12 ובו מופעל מתח פפטידים שולבו ביונים השומנים ממברנות המחקה את הרכב למערכות ביולוגיות, מבנה הממברנה, ואת יון ערוץ המופעלות החלפת מנגנונים ביולוגיים הסינפסות20.  כאן, אנו נתאר כיצד להרכיב ולחקור חשמלית התקנים אלה שני-מסוף, עם התמקדות מיוחדת כיצד להעריך פלסטיות לטווח קצר עבור יישום מקוון למידה יישומים12. התקן הרכבה מבוסס על droplet ממשק bilayer (דיב)21 השיטה, אשר שימש בהרחבה בשנים האחרונות ללמוד את ביופיזיקה של ממברנות דגם21 וממברנה מכורך יון ערוצי22,23, 24, וכן אבני בניין עבור הפיתוח של חומרי מגיב לגירויים25,26. אנו לתאר תהליך הרכבה והחקירה של קרום בפירוט למעוניינים מטריצת יישומים אך מוגבלת ניסיון biomaterials או ביולוגיה ממברנה. הפרוטוקול כוללת גם תיאור מלא של תהליך האפיון, אשר חשוב כמו תהליך ההרכבה, בהתחשב המאפיינים חשמל דינמי ו reconfigurable של המכשיר27. תוצאות ההליך ונציג המתוארים כאן הם היסודות עבור מחלקה חדשה בעלות נמוכה, צריכת חשמל נמוכה, רך mem-אלמנטים מבוסס על השומנים ממשקים אחרים מולקולות עבור יישומים מטריצת מחשוב, אוטונומי מבנים ומערכות, ואפילו ממשקי מחשב-מוח גמישים.

<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

היכולת לשחזר פונקציונליות סינפטית ברכיבי המעגל סינתטי חיוני עבור מטריצת מחשוב מערכות מבקש לחקות את הכוחות קוגניטיבי של המוח עם יעילות דומה וצפיפות. עד כה, המבוססים על צורן טרנזיסטורים שלוש-מסוף, memristors שני-מסוף היה בשימוש נרחב במטריצת מעגלים, בעיקר בזכות יכולתם לאתר שיתוף עיבוד מידע ובזיכרון. אך התקנים אלה לא יכול להשיג את מסופר והמורכבות של המוח כי הם תאבי כוח, אינן מצליחות לחקות מפתח פונקציות סינפטית, ואף סובלים רעש גבוה גבוה מיתוג מתח. כדי להתגבר על מגבלות אלה, יש שפותחה ואנו מאופיין של ממריסטור למערכות ביולוגיות המחקה את הרכב, מבנה, מיתוג מאפייני הסינפסות ביולוגי. כאן, אנו מתארים את תהליך הרכבת, אפיון memristors למערכות ביולוגיות המורכב ננומטר בעובי 5 ליפידית בין טיפות מים functionalized-השומנים בשמן מסטול עם פפטידים מופעל מתח alamethicin. בזמן דומה מכלול הפרוטוקולים שימשו כדי לחקור את מאפייני ביופיזיקלי של השומנים הנתמכות על-ידי droplet ממברנות ומתקני תעלות יונים ממברנה מכורך, מאמר זה מתמקד המהותיים של השיטה bilayer ממשק droplet חיוני להשגת ביצועים ממריסטור עקבית. באופן ספציפי, אנו מתארים את תהליך ההכנה של ליפוזום, שילוב של פפטידים alamethicin השומנים bilayer ממברנות, את ריכוזי המתאים לכל המכוננת, כמו גם ההשפעה שלהם על התגובה הכולל של memristors. אנחנו גם פירוט תהליך האפיון של memristors למערכות ביולוגיות, כולל מדידה וניתוח של מערכות יחסים memristive זרם-מתח שהושג באמצעות וולטמטריה ציקלית, כמו גם לטווח הקצר פלסטיות ולמידה בתגובה step-wise מתח דופק רכבות.

איור 1 מציג את הגדרת הניסוי נהגו להרכיב לאפיין את ממריסטור למערכות ביולוגיות. הנמכת הפנויות של האלקטרודות לחלק התחתון של המאגר שמן, כפי שמוצג איור 1b, נמצאה מועילה למזער את התנודות של אלקטרודות, טיפות שיכול לגרום וריאציות נמדד הנוכחי, באזור bilayer, במיוחד במקרי...

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

רכים, צריכת חשמל נמוכה, memristors למערכות ביולוגיות ממנפים קומפוזיציה דומה המבנה, החלפת מנגנונים של ביו-הסינפסות. המוצג כאן פרוטוקול כדי להרכיב או לאפיין למערכות ביולוגיות memristors מתקבל בידוד השומנים bilayers בין טיפות מים בשמן. שילוב של פפטידים מופעל מתח alamethicin תוצאות מוליכות יונית memristive על פני הקרום.

הרכבה ואפיון של Memristors למערכות ביולוגיות המורכב ממברנות השומנים מסטול-תעלת יונים

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

הפרוטוקול שלנו מתאר כיצד להרכיב ולאפיין חשמלית ביו-ממברנה עם סם פפטיד המחקה באופן הדוק את תכונות ההרכב, המבנה וההובלה של הסינפסות הביולוגיות ומפגין עמידות לזיכרון. טכניקה זו מאפשרת למשתמשים להעריך פעילות תלוית פעילות, עמידות בזיכרון ופלסטיות לטווח קצר במערכות מהונדסות בסולמות זמן וברמות העירור הרלוונטיות לסינאפסות ביולוגיות ולערוצי יונים. טכניקה זו מספקת מסגרת לאפיון ממברנות ביומימטיות המכילות תעלות יון המופעלות באמצעות מתח, מה שהופך אותו ישים לאפיון של מגוון תהליכי הובלה תאית, כולל אלה של נוירונים.ההצעה שלנו לחוקרים חדשים היא קודם כל להיות בקיאים בהכנת פתרונות ליפוזום והרכבת bilayer ממשק טיפה על אלקטרודות חוט סוג. לראות ממקור ראשון את התהליך עבור חלוקת טיפה ומיקום על אלקטרודות מפשט טכניקה זו עבור היווצרות bilayer, מה שהופך אותו נגיש באופן מיידי לכל. הוכחת הליך זה יהיה ד"ר יוסף Najem, פוסטדוק מהמעבדה שלי.כדי להתחיל, להכין את פתרון מלאי אלמתיצין בצינור microcentrifuge על ידי המסת אבקת פפטידים אלמתיצין באתנול לריכוז סופי של 2.5 מיליגרם למיליליטר. Vortex הצינור לזמן קצר לערבב היטב, ולאחסן את פתרון המלאי במקפיא מינוס 20 מעלות צלזיוס. בצינור 1.5 מיליליטר Safe-Lock, להוסיף מיקרוליטר אחד של פתרון מלאי אלמתיצין 99 microliters של פתרון A כדי להשיג ריכוז אלמתיצין סופי של 13 micromolar בהשעיית ליפוזום.מערבולת לערבב היטב. פתרון ליפוזום פפטיד וכתוצאה מכך הוא פתרון B.Mix 117 microliters של פתרון A עם 10 microliters של פתרון B כדי להשיג ריכוז אלמתיצין סופי של micromolar אחד, ולאחר מכן מערבולת לערבב היטב. עיין בפתרון המתקבל כ- C.Store את הפתרונות B ו- C בארבע מעלות צלזיוס.מניחים צד זכוכית בעובי מילימטר אחד 25 פעמים 75 מילימטרים על הבמה של מיקרוסקופ הפוך. מחלקים כמה טיפות שמן הקסדקני למרכז מגלשת הזכוכית, ולאחר מכן מניחים את מאגר הנפט ישירות על השמן על מגלשת הזכוכית. מלאו לחלוטין את מאגר הנפט בשמן הקסדקני.ודא שהמאגר ממוקם מעל העדשה האובייקטיבית. לאחר מכן חבר את מחזיק האלקטרודה לשלב הראש של מגבר זרם המותקן על מיקרומניפולטור. המיקרומניפולטור ממזער את אורך האלקטרודה ואת הרעש החשמלי.לאחר מכן, הר את מחזיק מיקרופיפט הזכוכית עם חוט הכסף-כסף-כלוריד השני על מיקרומניפולטור אחר. באמצעות מיקרומניפולטורים, למקם את האלקטרודות כך קצות מצופה אגרוז של חוטי כסף כסף כלוריד שקועים לחלוטין לתוך מאגר הנפט במישור אנכי דומה. ליישר את שתי האלקטרודות ולהפריד אותם על ידי כמה מילימטרים.כדי ליצור את bilayer השומנים, להזיז את האלקטרודות אנכית לתוך שלב השמן. השתמש micropipette להפקיד 200 nanoliters של פתרון השומנים A על כל אחד החוטים. המתן שלוש עד חמש דקות כדי לאפשר הרכבה מונווליאר שומנים ספונטניים להתרחש בממשק שמן המים.טיפות עלולות לשקוע אם השמן שמסביב הוא מספיק צפוף. לאחר מכן, מנמיכים את האלקטרודות כדי לטביעה מחדש עד שקצוות שתי האלקטרודות בקושי נוגעים בתחתית מאגר הנפט. לאחר מכן, כדי ליצור את bilayer, להזיז את האלקטרודות אופקית כדי להביא את טיפות במגע.כדי להשיג את הקשר צבט, היסטרי, מתח זרם, להשתמש במחולל פונקציה כדי להחיל צורת גל מתח משולש או סינוזואידית על קרום השומנים נטול אלמתיצין מורכב עם טיפות של פתרון A.Record התגובה הנוכחית המושרה על פני תדרים מרובים. כדי לתעד את גודלו של bilayer השומנים בין גזעי, או למדוד את הקוטר של קרום השומנים במחשב או להקליט את משרעת זרם שיא לשיא הנובע 10 הרץ, 10 מיליליטר גל משולש כדי לחשב את שטח הממברנה. מוציאים את החוטים מתוך שלב השמן כדי להסיר את טיפות המכילות שום אלמתיקן.הוסף טיפות מים חדשות באמצעות פתרון C וצור bilayer השומנים. בהתבסס על משרעת זרם הגל המרובע, השתמש במיקרומניפולטורים כדי להתאים את המגע בין טיפות, כך שלבילייה יש אזור דומה לזה שנוצר קודם לכן. לאחר מכן החל צורת גל מתח 10-הרץ ו 10-מילי-וולט, ולתרשם את התגובה הנוכחית המושרה כבעבר.כדי לערוך ניסויי דופק באמצעות תוכנת תכנות מותאמת אישית ומקור מתח אנלוגי, ליצור פולסים מתח עם משרעת גבוהה ונמוכה ספציפית בזמן ובזמן כבוי. הקלט את הזרם בתגובה לפולסים שהוחלו. העלילה של זרם לעומת מתח מראה את התגובה הזרם שאינו אפס על יישום של הטיית מתח bilayer השומנים נטול אלמתיקן.הוסף 0.017 הרץ, תדר שבו ההימנעות נשלטת על ידי עמידות בפני קרום. תגובה זרם אומי נמוך מוצג עבור קרום בידוד מאוד. העלילה של bilayer השומנים נוצר בין שתי טיפות המכיל פפטידים אלמתיקן מראה זרמים הגדלה אקספוננציאלית במתחים גבוהים יותר מאשר סף הכניסה של 100 מיליבולטים.במתח גבוה, פפטידים אלמתיקן המתגוררים על פני השטח של bilayer השומנים להכניס לתוך הממברנה לצבור כדי ליצור נקבוביות מוליך. התגובות הנוכחיות הסימטריות בשני הקוטביות נובעות מהכנסה וצבירה של אוכלוסיות פפטידים נפרדות מצדדים מנוגדים של הממברנה. יש להפחית את הזרם ההיסטרי מהזרם הכולל כדי לקבל רק את תגובת מתח זרם ההיסטרסיס הצבוטה והמצמרסיבית.התגובה memristor biomolecular לפולסים מתח הבאים עם עלייה בהוליכות בזמן, למרות לסירוגין שחזור מצב בידוד במהלך כל זמן חופשה. הן הגירוי הנוכחי והן הגירויים הקודמים תורמים לעלייה הנוכחית. מונוליירים מלוהגים על שתי טיפות חייב להיווצר לפני להביא אותם יחד כדי ליצור את bilayer.אם טיפות מובאות יחד מוקדם מדי, הם מתמזגים ולא נוצר bilayer. אנו מעצבים וממציאים כעת רשתות עצביות בסיסיות מיקרופלואידיות המורכבות מתאי עצב במצב מוצק המחוברים באמצעות סינפסות מבוססות ממברנה הנתמכות על ידי אופטימיזציה להטמעת רשת של מחשבי-על בעלי ביצועים גבוהים ב- ORNL. מריסטורים אלה הם הראשונים שיש להם את ההרכב, המבנה, מנגנון המיתוג והעברת היונים של הסינפסות הביולוגיות.לכן הם מספקים בסיס ביומולקולרי מרוהט הוספת מחשוב דמוי מוח וזיכרון.

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

Biomolecular איתור העסקת ההחזרה interferometric דימות חיישן (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

סינתזה, הרכבה, אפיון monolayer מוגן סרטים Nanoparticle זהב עבור אלקטרוכימיה monolayer חלבון

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

בידוד של טיפות שומנים נייד: שתי טכניקות טיהור החל מתאי שמרים ושליות אדם

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

בידוד ואפיון של חלבונים דוברי Fc אנושיים כימריים באמצעות חלבון ספיחה ממברנה וזרימת עבודה יעילה

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 והרכבת 3D microvessels

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

מיזוג קיטוב ריכוז יון בין חופפי Ion Exchange ממברנות כדי לחסום את ההתפשטות של אזור הקיטוב

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

שיטה לגידול ביו-memristors מן העיפוש רפש

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

זיהוי של אנדוטוקסין ניסוחים-Nano באמצעות מבחני Lysate (LAL) Amoebocyte Limulus

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

צמיחה ואפיון של אורגנואידים לקרינה מבלוטות החלב

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

ליתוגרפיה של קרן יון ממוקדת לחרוט ננו-ארכיטקטורות למיקרואלקטרודות

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