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

Финансовая поддержка была оказана в национальной науки Фонд Грант NSF ECCS-1631472. Исследования G.J.T., C.D.S., а.б., и ставилось был частично авторами лаборатории направлены исследования и развития программы из Окриджская национальная лаборатория, управляемые UT-Battelle, ООО, для министерства энергетики США. Часть этого исследования была проведена в центре для Nanophase материаловедение, которые является DOE отделение науки пользователя объекта.

1. Общие инструкции и меры предосторожности
<ol><li>Выберите подходящую, неповрежденной измерения/микширование посуда, (колбы, мензурки и т.д.) и другие лабораторные (шпатели, ковши и т.д.) для использования.</li>
	<li>Обработка стекла тщательно, чтобы избежать повреждения и носить лате...

<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>

Этот документ представляет собой протокол для монтажа и характеризующие биомолекулярных memristors, основанный на ионного канала легированных синтетических биомембран образуются между двумя каплями воды в масле. Устройство мягкой материи, два терминал спроектирован и учился: 1) преодолет...

Широко признается, что биологические синапсы отвечают за высокую эффективность и огромные параллелизм мозга из-за их способность учиться и обрабатывать информацию высоко адаптивный способами. Эта функциональность скоординированных вытекает из нескольких сложных молекулярных механизмов диска как краткосрочные и долгосрочные синаптической пластичности1,2,3,4,5. Neuromorphic вычислительных систем стремятся подражать синаптических функций на уровнях, приближается к плотности, сложности и эффективности использования энергии мозга, которые необходимы для следующего поколения компьютеров мозга как6,7 , 8. Однако, воспроизводя синаптических черт, с использованием элементов традиционных электронных цепей является практически невозможным9, вместо этого требуя проектирование и изготовление новых аппаратных элементов, которые могут адаптироваться к входящие сигналы и помнить Информация истории9. Эти типы СИНАПС вдохновил оборудования известны как мем элементы9,10,11 (короткий для памяти элементы), которые, по словам Di Вентра et al.9,11, пассивной, двух терминал устройства, сопротивление, емкость или которых индуктивность может быть перенастроена в ответ на внешние раздражители, и который может вспомнить предыдущие государств11. Для достижения уровня потребления энергии, приближается в головном мозге, эти элементы должны использовать подобные материалы и механизмы синаптической пластичности12.
На сегодняшний день, два терминал memristors13,,1415 преимущественно были построены с использованием дополнительные металл оксид полупроводник (CMOS) технологии, характеризуется высокой переключение напряжения и высокой шума. Эта технология не масштабируются благодаря высоким энергопотреблением и низкой плотности. Чтобы устранить эти ограничения, несколько органических и полимерных memristors были недавно построены. Однако эти устройства обладают значительно медленнее переключения динамика благодаря длительным Ион диффузии через проводящей полимерной матрицы16,17. В результате механизмы, которые оба устройства на основе КМОП и органических memristive подражать СИНАПС вдохновил функции весьма феноменологической, охватывающих лишь несколько синаптических функций таких сроков зависит от пластичности в Spike (СТДП) 18, в то время как другие ключевые видом, также играют важную роль в принятии мозга мощной и эффективной компьютера, например предварительно синаптической, краткосрочные пластичности19.
Недавно мы ввели новый класс memristive устройств12 показывая напряжения активированный пептиды, включены в biomimetic липидные мембраны, имитирующий биомолекулярных состав, мембранные структуры и ионного канала срабатывает переключение механизмы биологической синапсы20.  Здесь мы опишем, как собрать и электрически допросить эти два терминал устройства, с уделением особого внимания как оценить краткосрочные пластичности для осуществления в онлайн обучения приложения12. Ассамблея устройства основана на капельки бислой (DIB)21 метода интерфейса, который широко используется в последние годы для изучения биофизики мембран модель21 и мембраны прыгните ионных каналов22,23, 24и в качестве строительных блоков для разработки стимулов отзывчивым материалы25,26. Мы описать процесс сборки и допроса мембраны подробно для тех, кто заинтересован в neuromorphic приложениях, но имеют ограниченный опыт в биоматериалов или мембраны биологии. Протокол также включает в себя полное описание характеристик процедура, которая же важны, как процесс сборки, учитывая динамичный и перестраиваемой электрические свойства устройства27. Описанные здесь процедуры и представитель результаты являются основой для нового класса лоу кост, низким энергопотреблением, мягкие мем элементы на основе липидов интерфейсов и других биомолекул для применения в neuromorphic вычислений, автономных структур и систем, и даже адаптивного головного мозга компьютерные интерфейсы.

<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

Возможность воссоздать синаптических функциональности в цепи синтетических элементов имеет важное значение для neuromorphic вычислительных систем, которые стремятся подражать когнитивной полномочия мозга с сопоставимой эффективности и плотности. На сегодняшний день, на базе кремния три терминала транзисторов и два терминал memristors широко используются в neuromorphic цепей, в значительной степени из-за их способности разместить обработки информации и память. Но эти устройства не могут достичь взаимосвязанности и сложность мозга, потому что они властолюбивый, не имитировать ключевых синаптических функциональности и страдают от повышенного шума и высокой переключение напряжения. Чтобы преодолеть эти ограничения, мы разработали и характеризуется биомолекулярных Мемристор, который имитирует состав, структура и переключения характеристики биологических синапсы. Здесь мы описываем процесс сборки и характеризующие биомолекулярных memristors, состоящий из 5 Нм толщиной липидному образуются между капельки липидов функционализированных воды в масле и легированного напряжения активированный alamethicin пептидов. В то время как аналогичные протоколы Ассамблеи были использованы для изучения биофизические свойства капелька поддерживаемые липидные мембраны и мембраны прыгните ионных каналов, эта статья фокусируется на основных модификаций капелька бислой метода интерфейса существенно важное значение для обеспечение последовательного Мемристор производительности. Конкретно мы описываем процесс подготовки липосом и включение alamethicin пептидов в липидного бислоя мембраны и соответствующей концентрации каждой составляющей, а также их влияние на общий ответ memristors. Мы также подробно характеристика процесса биомолекулярных memristors, в том числе измерение и анализ memristive-амперных отношений получил через циклической вольтамперометрии, а также краткосрочные пластичности и поэтапного обучения в ответ на напряжение импульса поезда.

Рисунок 1 показывает экспериментальной установки, используется для сборки и характеризуют биомолекулярных Мемристор. Снижение свободные концы электродов к нижней части нефтяной пласт, как показано на рисунок 1b, было признано полезным для сведения к ми?...

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

Мягкие низким энергопотреблением, биомолекулярных memristors использовать аналогичный состав, структура и переключения механизмов био синапсы. Здесь представлены протокол собрать и характеризуют биомолекулярных memristors получается из изоляционного липидных бислоев образуются между капельки воды в масле. Включение пептидов напряжения активированный alamethicin приводит к memristive ионной проводимости через мембрану.

Ассамблея и характеристика биомолекулярных Memristors, состоящий из легированных ионного канала липидные мембраны

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

Наш протокол описывает, как собрать и электрически охарактеризовать пептид-допинг биомембрана, который тесно имитирует состав, структуру и транспортные свойства биологических синапсов и который демонстрирует настраиваемое сопротивление памяти. Этот метод позволяет пользователям оценивать зависимую от активности, устойчивость к памяти и краткосрочную пластичность в инженерных системах в временных масштабах и уровнях возбуждения, имеющих отношение к биологическим синапсам и ионным каналам. Этот метод обеспечивает основу для характеристики биомиметических мембран, содержащих ионные каналы, активированные напряжением, что делает его применимым к характеристике различных процессов клеточного транспорта, в том числе в нейронах.Наше предложение для новых исследователей заключается в том, чтобы впервые стать опытным в подготовке липосомных решений и сборки капель интерфейса bilayer на проволоки типа электродов. Видя из первых рук процесс дозирования капель и позиционирования на электродах упрощает этот метод для формирования билейера, делая его сразу доступным для всех. Демонстрацией этой процедуры будет доктор Джозеф Наджим, постдок из моей лаборатории.Для начала подготовьте раствор запасов аламетицина в трубке микроцентрифуга путем растворения порошка пептидов аламетицина в этаноле до конечной концентрации 2,5 миллиграмма на миллилитр. Vortex трубки кратко хорошо перемешать, и хранить раствор бульона в минус 20 градусов по Цельсию морозильник. В 1,5 миллилитровую трубку Safe-Lock добавьте один микролитр раствора запасов аламетицина в 99 микролитров раствора А для достижения окончательной концентрации аламетицина в 13 микромоларах в липосомной подвеске.Vortex хорошо перемешать. В результате пептидный липосомный раствор является раствором B.Mix 117 микролитров раствора А с 10 микролитров раствора В для достижения окончательной концентрации аламетицина одного микромолара, а затем вихря, чтобы хорошо перемешать. Обратитесь к полученному раствору как C.Store решения B и C при четырех градусах Цельсия.Поместите одну миллиметр толщиной 25 раз 75 миллиметров стеклянной стороны на сцене перевернутого микроскопа. Выпредельте несколько капель гексадеканового масла на центр стеклянной горки, а затем поместите масляный резервуар прямо на масло на стеклянной горке. Полностью заполните нефтяной резервуар гексадеканным маслом.Убедитесь, что резервуар расположен над объективом цели. Затем подключите держатель электрода к головной ступени текущего усилителя, установленного на микроманипуляторе. Микроманипулятор сводит к минимуму длину электрода и электрический шум.Затем смонтировать стеклянный держатель микропайпта со второй серебряно-серебряно-хлоридной проволокой на другой микроманипулятор. Используя микроманипуляторы, располагайте электроды таким образом, чтобы кончики серебристо-серебряно-хлоридных проводов с агарозой полностью погружались в нефтяной резервуар на аналогичной вертикальной плоскости. Выровняйте два электрода и разделте их на несколько миллиметров.Чтобы сформировать липидный билейлер, перемести электроды вертикально в масляную фазу. Используйте микропипюту для депонирования 200 нанолитров липидного раствора А на каждый из проводов. Подождите три-пять минут, чтобы спонтанная сборка липидных монослойных работ происходила на интерфейсе водяного масла.Капли могут провисать, если окружающее масло достаточно менее плотное. После этого опустите электроды, чтобы повторно погрузиться, пока концы обоих электродов не коснутся дна нефтяного резервуара. Затем, чтобы сформировать билейер, переместить электроды горизонтально, чтобы привести капли в контакт.Для получения ущипнул, гистеретические, ток-напряжение отношения, использовать функцию генератора для применения треугольной или синусиновой формы напряжения волн для аламетицин-свободной липидной мембраны, собранной с каплями раствора A.Record индуцированной текущей реакции на нескольких частотах. Для записи размера межфациального липидного бислойного, либо измерить диаметр липидной мембраны на компьютере или записать пик-пик текущей амплитуды в результате 10 герц, 10 милливольт треугольной волны для расчета области мембраны. Возьмите провода из фазы масла, чтобы удалить капли, которые не содержат аламетин.Добавьте новые акальные капли, используя раствор С и сформив липидный билейзер. Основываясь на амплитуде квадратного волнового тока, используйте микроманипуляторы для регулировки контакта между каплями, так что билайер имеет такую же область, как и ранее. Затем нанесите 10-герц и 10-милливольтную форму волны напряжения и замечаете индуцированную текущую реакцию, как и раньше.Для проведения импульсных экспериментов с использованием пользовательского программного обеспечения программирования и аналогового источника напряжения, генерировать импульсы напряжения с конкретными высокими и низкими амплитудами вовремя и вне времени. Запись тока в ответ на примененные импульсы. Сюжет тока по сравнению с напряжением показывает ненулевой текущий ответ при применении смещения напряжения к липидного билейзера без аламетицина.Добавьте 0,017 герц, частота, где в ней доминирует мембранная устойчивость. Низкий ohmic в настоящее время реакция показана для высоки изоляционной мембраны. Участок липидного двуслойного, образованного между двумя каплями, содержащими пептиды аламетицина, показывает экспоненциально увеличиваемые токи при напряжении выше порога вставки в 100 милливольт.При высоком напряжении пептиды аламетицина, проживающие на поверхности липидного билейера, вставляются в мембрану и агрегируются для формирования проводящих пор. Симметричные текущие реакции на обе полярности обусловлены вставкой и агрегацией отдельных популяций пептидов с противоположных сторон мембраны. Емкостное течение должно быть вычтено из общего тока, чтобы получить только memristive, ущипнул истереза текущего напряжения ответ.Биомолекулярный memristor ответ на последующие импульсы напряжения с увеличением проводимости вовремя, несмотря на периодические восстановления изоляционного состояния в течение каждого свободного времени. Как нынешний стимул, так и предыдущие стимулы способствуют нынешнему увеличению. Сплоченные монослойные на обеих каплях должны образовываться, прежде чем объединить их, чтобы сформировать билейер.Если капли собираются слишком рано, они сливаются и не образуется билейер. В настоящее время мы разрабатываем и изготовляем микрофлюидные базовые нейронные сети, состоящие из твердофюсных нейронов, соединенных мембранными синапсами, поддерживаемыми оптимизацией сетевой ассимиляции высококоньких суперкомпьютеров ORNL. Эти memristors являются первыми, чтобы иметь состав, структура, механизм переключения, и ионный транспорт биологических синапсов.Таким образом, они обеспечивают биомолекулярную основу, меблированную добавление мозговых вычислений и памяти.

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

Биомолекулярных Обнаружение использованием интерферометрических датчиков изображения отражения (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

Синтез, монтаж, и характеристика монослоя охраняемые пленок золота наночастицы для Белки электрохимии монослоя

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

Выделение сотовых липидные капли: Два Методы очистки Начиная с дрожжевых клеток и правам плаценты

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

Изоляция и характеристика химерных человеческих fc-выражать протеины используя протеин Адсорберы мембраны и обтекаемый рабочий процесс

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 и сборка 3D микрососудов

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

Слияние концентрации ионов поляризация между Сочетавший ионообменные мембраны для блокирования распространения радиоволн в поляризационных зоны

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

Метод для выращивания био memristors от миксомицеты

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

Обнаружения эндотоксинов в нано составов с помощью анализов Lysate (Лал) 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

Рост и характеристика облученных органоидов из молочных желез

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

Сосредоточенная литография Ионного Луча для наноархитектур etch в микроэлектроды

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