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

Økonomisk støtte ble levert av den National Science Foundation Grant NSF ECCS-1631472. Forskning for G.J.T., C.D.S., A.B., og C.P.C. ble delvis sponset av Laboratory regissert forskning og utvikling programmet av Oak Ridge National Laboratory, administrert av UT-Battelle, LLC, for US Department of Energy. En del av denne forskningen ble utført ved Center for Nanophase materialer fag, som er en DOE kontoret av vitenskap bruker anlegget.

1. generelle instruksjoner og forholdsregler
<ol><li>Velg passende, uskadet måle/blande glass (flasker, kanner, etc.) og andre labware (spatler, kuler, etc.) for bruk.</li>
	<li>Håndtere glass nøye for å unngå skade, og bære latex eller nitril hansker å unngå forurensende glass/labware med rester av hånden og beskytte huden din.</li>
	<li>Ren valgte glass/labware grundig med såpevann og vann ved scrubbing med myk flaskebørste før rene og alle rester er fjernet.</li>
	<li>Skyll grundig med v...

<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>

Dette dokumentet presenterer en protokoll for montering og karakterisere biomolecular memristors basert på ion kanal-dopet syntetiske cellemembraner dannet mellom to vanndråper i olje. Soft-saken, to-terminal enheten er designet og studerte til: 1) overvinne begrensninger som er forbundet med SSD-teknologi, slik som høy støy, høyt energiforbruk og høy bytte spenninger, 2) nærmere etterligner komposisjon, struktur bytte mekanismer for biologiske synapser og 3) utforske mekanismer og funksjonene i bio-synapse plasti...

Det er anerkjent at biologiske synapser er ansvarlig for høy effektivitet og enorme parallellisme av hjernen evne til å lære og behandle informasjon på svært tilpasningsdyktige måter. Denne koordinerte funksjonaliteten kommer fra flere komplekse molekylære mekanismer stasjonen både kortsiktige og langsiktige synaptiske plastisitet1,2,3,4,5. Neuromorphic datasystemer som mål å etterligne synaptic funksjonaliteten på nivåer nærmer tetthet, kompleksitet og energieffektivitet av hjernen, som er nødvendig for neste generasjon av hjernen som datamaskiner6,7 , 8. imidlertid gjengivelse synaptic funksjoner ved hjelp av tradisjonelle elektronisk Kretselementer er praktisk talt umulig9, i stedet krever design og fabrikasjon av ny maskinvare elementer som kan tilpasse seg de innkommende signalene og huske informasjon historier9. Disse typer synapse-inspirerte maskinvare er kjent som mem-elementer9,10,11 (forkortelse for minne elementer), som ifølge Di Ventra et al.9,11, er passiv, to-terminal enheter som motstand, kapasitans eller Induktans kan konfigureres som respons på eksterne stimuli, og som kan huske tidligere stater11. For å oppnå energi forbruksnivåene nærmer i hjernen, skal disse elementene bruke lignende materialer og mekanismer for synaptiske plastisitet12.
Hittil har har to-terminal memristors13,14,15 hovedsakelig blitt bygget med complementary metal oxide semiconductor (CMOS) teknologi, preget av høy-svitsjing spenninger og høy støy. Denne teknologien gjør målestokken ikke godt på grunn av høyt strømforbruk og lav tetthet. For å løse disse begrensningene, har flere organisk og polymere memristors blitt bygget. Men viser disse enhetene betydelig tregere bytte dynamics på grunn av tidkrevende ion spredning gjennom en ledende polymer matrise16,17. Resultatet er mekanismer som begge CMOS-basert og organiske memristive enhetene etterligne synapse-inspirerte funksjonaliteten svært fenomenal, omfatter bare noen synaptic funksjonaliteten som Spike Timing avhengige plastisitet (STDP) 18, mens med utsikt over andre viktige funksjoner som også spille viktige roller i å lage hjernen en kraftig og effektiv datamaskin, for eksempel pre synaptic, kortsiktige plastisitet19.
Nylig introdusert vi en ny klasse av memristive enheter12 med spenning-aktivert peptider i biomimetic lipid membraner som etterligner biomolecular komposisjon, membran strukturen og ion utløst kanalskift mekanismer for biologiske synapser20.  Her beskriver vi kursen og elektrisk forhøre disse to-terminal enheter, med spesielt fokus på hvordan man skal vurdere kortsiktige plastisitet for implementering i online learning programmer12. Enheten forsamlingen er basert på dråpe bilayer (DIB)21 grensesnittmetoden, som har vært brukt mye i de senere år for å studere biofysikk modell membraner21 og membran-bundet ion kanaler22,23, 24, og som byggesteiner for utvikling av stimuli-responsive materialer25,26. Vi beskriver membran montering og avhør prosessen i detalj for interesserte i neuromorphic programmer, men har begrenset erfaring i biologisk materiale eller membran biologi. Protokollen inneholder også en fullstendig beskrivelse av karakterisering prosedyren, som er like viktig som monteringen, gitt dynamisk og rekonfigurerbare elektriske egenskaper for enheten27. Prosedyre og representant resultatene beskrevet her er grunnlaget for en ny klasse av rimelig, lavt strømforbruk, myk mem-elementer basert på lipid grensesnitt og andre biomolecules for programmer i neuromorphic computing, autonome strukturer og systemer, og selv adaptive hjerne-computer grenseflate.

<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

Muligheten til å gjenskape synaptic funksjoner i syntetisk Kretselementer er viktig for neuromorphic databehandling systemer som forsøker å etterligne kognitive krefter hjernen med sammenlignbare effektivitet og tetthet. Hittil har silikonbaserte tre-terminal transistorer og to-terminal memristors vært mye brukt i neuromorphic kretser, i stor grad evne til å sammen finne informasjonsbehandling og minne. Men disse enhetene ikke kan oppnå tilkoblinger og kompleksiteten av hjernen fordi de er makt-sulten, ikke etterligne synaptic nøkkelfunksjonalitet, og lider av høy støy og bytte høye spenninger. For å overvinne disse begrensningene, har vi utviklet og preget en biomolecular memristor som etterligner komposisjon, strukturen og bytte kjennetegner biologiske synapser. Her vi beskriver prosessen med å samle og karakterisere biomolecular memristors bestående av en 5 nm-tykk lipid bilayer dannet mellom lipid-functionalized vanndråper i olje og dopet med spenning-aktivert alamethicin peptider. Mens lignende montering protokoller har blitt brukt til å undersøke Biofysiske egenskaper slippverktøy-støttet lipid membraner og membran-bundet ionekanaler, fokuserer denne artikkelen på viktige modifikasjoner av dråpe bilayer grensesnittmetoden avgjørende for oppnå konsekvent memristor ytelse. Spesielt beskrive vi liposome forberedelsesprosessen og inkorporering av alamethicin peptider i lipid bilayer membraner og riktig konsentrasjonen av hver bestanddel samt deres innvirkning på den generelle responsen av memristors. Vi også detalj karakterisering prosessen med biomolecular memristors, herunder måling og analyse av memristive strøm-spenning relasjoner Hentet via syklisk voltammetry, i tillegg til kortsiktige plastisitet og læring svar trinnvis spenning puls tog.

Figur 1 viser eksperimentelle oppsettet brukes til å montere og karakterisere biomolecular memristor. Senke de ledige endene på elektrodene til bunnen av oljereservoar, ble som vist i figur 1b, funnet nyttig for å redusere vibrasjoner elektroder og dråper som kan resultere i variasjoner i målte strøm og bilayer området, spesielt i tilfeller der varme oljen kan generere konvektive flyt i olje. Figur 2 viser prosedyren og resul...

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

Myk, lavt strømforbruk, utnytte biomolecular memristors lignende komposisjon, struktur og bytte mekanismer av bio-synapser. Presenteres her er en protokoll for å montere og karakterisere biomolecular memristors innhentet fra isolerende lipid bilayers dannet mellom vanndråper i olje. Inkorporering av spenning-aktivert alamethicin peptider resulterer i memristive ioniske konduktans over membranen.

Montering og karakterisering av Biomolecular Memristors bestående av Ion kanal-dopet Lipid membraner

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

Vår protokoll beskriver hvordan man monterer og elektrisk karakteriserer en peptid-dopet biomembrane som nøye etterligner sammensetningen, strukturen og transportegenskapene til biologiske synapser og som viser justerbar minnemotstand. Denne teknikken gir brukerne mulighet til å vurdere aktivitetsavhengig, minnemotstand og kortsiktig plastisitet i konstruerte systemer på tidsskalaer og eksitasjonsnivåer som er relevante for biologiske synapser og ionkanaler. Denne teknikken gir et rammeverk for å karakterisere biomimetiske membraner som inneholder spenningsaktiverte iionkanaler, noe som gjør det aktuelt for karakterisering av en rekke cellulære transportprosesser, inkludert de i nevroner.Vårt forslag til nye forskere er først å bli dyktigere til å forberede liposomerløsninger og montere et dråpegrensesnitt på elektroder av trådtype. Å se førstehånds prosessen for dråpedispensering og posisjonering på elektroder forenkler denne teknikken for bilayerdannelse, noe som gjør den umiddelbart tilgjengelig for alle. Å demonstrere denne prosedyren vil være Dr.Joseph Najem, en postdoktor fra laboratoriet mitt.Til å begynne med, klargjør alamethicin lagerløsningen i mikrocentrifugerøret ved å oppløse alamethicinpeptider pulveret i etanol til en endelig konsentrasjon på 2,5 milligram per milliliter. Vortex røret kort for å blande godt, og lagre lagerløsningen i en minus 20 grader Celsius fryser. I et 1,5 milliliter Safe-Lock-rør legger du til en mikroliter alamethicinlagerløsning til 99 mikroliter oppløsning A for å oppnå en endelig alamethicinkonsentrasjon på 13 mikromos i liposometsuspensjon.Vortex å blande godt. Den resulterende peptid liposometløsningen er oppløsning B.Bland 117 mikroliter oppløsning A med 10 mikroliter oppløsning B for å oppnå en endelig alamethicinkonsentrasjon av en mikromos, og deretter virvel for å blande godt. Se den resulterende løsningen som C.Lagre løsningene B og C ved fire grader Celsius.Plasser en en millimeter tykk 25 ganger 75 millimeter glassside på scenen av et omvendt mikroskop. Dispenser noen dråper heksadekanolje på midten av glasssklien, og plasser deretter oljebeholderen direkte på oljen på glasssklien. Fyll oljebeholderen helt med heksadekanolje.Kontroller at beholderen er plassert over objektivobjektivet. Koble deretter elektrodeholderen til hodestadiet på en strømforsterker montert på en mikromanipulator. Mikromanipulatoren minimerer elektrodelengde og elektrisk støy.Deretter monterer du mikropipetteholderen i glasset med den andre sølvsølvkloridledningen på en annen mikromanipulator. Bruk mikromanipulatorene til å plassere elektrodene slik at de agarosebelagte tuppene på sølvsølvkloridledningene er helt nedsenket i oljebeholderen på et lignende vertikalt plan. Juster de to elektrodene og skill dem med noen få millimeter.For å danne lipid bilayer, flytt elektrodene vertikalt inn i oljefasen. Bruk mikropipetten til å deponere 200 nanoliter lipidoppløsning A på hver av ledningene. Vent i tre til fem minutter for å tillate spontan lipid monolayer montering å skje på vannolje grensesnittet.Dråper kan synke hvis den omkringliggende oljen er tilstrekkelig mindre tett. Deretter senker du elektrodene for å senke ned igjen til endene av begge elektrodene knapt berører bunnen av oljereservoaret. Deretter for å danne bilayer, flytt elektrodene horisontalt for å bringe dråpene i kontakt.For å oppnå klemt, hysteretisk, strømspenningsforhold, bruk en funksjonsgenerator til å bruke trekantet eller sinusformet spenningsbølgeform på en alamethicinfri lipidmembran montert med dråper løsning A.Registrer den induserte nåværende responsen på tvers av flere frekvenser. For å registrere størrelsen på den interfaciale lipid bilayer, enten måle diameteren på lipidmembranen på datamaskinen eller registrere topp-til-topp strøm amplitude som følge av 10 hertz, 10 millivolts trekantet bølge for å beregne området av membranen. Ta ledningene ut av oljefasen for å fjerne dråpene som ikke inneholder alamethicin.Legg til nye vandige dråper ved hjelp av løsning C og danner en lipid bilayer. Basert på kvadratbølgestrømmen amplitude, bruk mikromanipulatorene til å justere kontakten mellom dråper, slik at bilayer har et lignende område som den som ble dannet tidligere. Deretter påfør deretter en 10-hertz og 10-millivolts spenningbølgeform, og registrer den induserte nåværende responsen som tidligere.For å gjennomføre pulseksperimenter ved hjelp av en tilpasset programmeringsprogramvare og analog spenningskilde, generer spenningspulser med spesifikke høye og lave amplituder på tid og av tid. Registrer strømmen som svar på påførte pulser. Tomten av strøm versus spenning viser ikke-null strømrespons ved påføring av en spenningsbias til en alamethicin-fri lipid bilayer.Tilsett 0,017 hertz, en frekvens der impedansen domineres av membranresistens. En lav ohmisk strømrespons er vist for den svært isolerende membranen. Handlingen av en lipid bilayer dannet mellom to dråper som inneholder alamethicin peptider viser eksponentielt økende strømmer ved spenninger høyere enn innsetting terskelen på 100 millivolts.Ved høy spenning, alamethicin peptider bosatt på overflaten av lipid bilayer sette inn i membranen og aggregat for å danne ledende porer. De symmetriske strømresponsene ved begge polariteter skyldes innsetting og aggregering av separate populasjoner av peptider fra motsatte sider av membranen. Kapasitiv strøm må trekkes fra den totale strømmen for å oppnå bare den memristive, klemt hysterese strømspenningsrespons.Den biomolekylære memristorresponsen på påfølgende spenningspulser med en økning i ledning i tide, til tross for periodisk gjenopprette en isolerende tilstand i løpet av hver avtid. Både dagens stimulans og tidligere stimuli bidrar til dagens økning. Sammenhengende monolayers på begge dråper må danne før du bringer dem sammen for å danne bilayer.Hvis dråpene bringes sammen for tidlig, samler de seg og ingen bilayer dannes. Vi designer og fabrikkerer nå mikrofluidiske basenevrale nettverk bestående av solid state nevroner forbundet med membranbaserte synapser støttet av nettverksassimilasjonsoptimalisering av høyytelses superdatamaskiner ved ORNL. Disse memristorene er de første som har sammensetning, struktur, koblingsmekanisme og iiontransport av biologiske synapser.De gir dermed et biomolekylært grunnlag som er innredet med hjernelignende databehandling og minne.

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

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

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

Isolering av Cellular lipid dråper: To rensing teknikker Starter fra gjærceller og menneske Placentas

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

Isolasjon og karakterisering av chimeric human fc-uttrykkende proteiner ved hjelp av protein A membrane adsorbere og en strømlinjeformet arbeidsflyt

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 og montering av 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

Sammenslåing Ion Konsentrasjon Polarisering mellom sidestilt ionebyttermembraner å blokkere Formering av Polarisering Zone

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

En metode for voksende Bio-memristors fra Slim Mold

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

Deteksjon av Endotoxin i Nano-formuleringer bruker Limulus Amoebocyte Lysate (LAL) analyser

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

Vekst og karakterisering av bestrålt Organoids fra Brystkjertler

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

Fokusert ion Beam litografi å etse nano-arkitekturer i Microelectrodes

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