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

Ekonomiskt stöd tillhandahölls av det nationella Science Foundation Grant NSF ECCS-1631472. Forskning för G.J.T., C.D.S., A.B., och C.P.C. var delvis sponsrad av laboratorium riktad forskning och utveckling Program av Oak Ridge National Laboratory, förvaltas av UT-Battelle, LLC, för US Department of Energy. En del av denna forskning utfördes vid centrum för Nanophase materialvetenskaper, som är en DOE Office av vetenskap användaren anläggning.

1. allmänna anvisningar och försiktighetsåtgärder
<ol><li>Välj lämplig, oskadade mätning/blandning glas (flaskor, bägare, etc.) och andra labware (spatlar, skopor, etc.) för användning.</li>
	<li>Hantera glas noggrant för att undvika skador och bär latex eller nitril handskar att undvika kontaminering av glas/labware med rester från fingertopparna och skydda din hud.</li>
	<li>Ren valt glas/labware grundligt med rengöringsmedel och vatten genom att skrubba med en mjuk flaskborste tills re...

<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>

Detta dokument presenterar ett protokoll för montering och karaktärisera biomolekylär memristors baserat på ion kanal-dopade syntetiska biomembranes bildas mellan två vattendroppar i olja. Den mjuka alster, två-terminal enheten är utformad och studerade till: 1) övervinna begränsningar som är associerade med SSD-teknik, såsom högt buller, hög energiförbrukning och hög Växla spänningar, 2) närmare efterlikna sammansättning, struktur byta mekanismer av biologiska synapser, och 3) utforska mekanismer och ...

Det är allmänt erkänt att biologiska synapser ansvarar för hög effektivitet och enorma parallellitet i hjärnan på grund av deras förmåga att lära sig och bearbeta information i mycket adaptivt sätt. Denna samordnade funktion framträder från flera, mycket komplexa molekylära mekanismer som driver både kortsiktiga och långsiktiga synaptisk plasticitet1,2,3,4,5. Neuromorphic computing system syftar till att efterlikna synaptic funktioner på nivåer som närmar sig den täthet, komplexitet och energieffektivitet av hjärnan, som behövs för nästa generation av hjärnan-liknande datorer6,7 , 8. reproducera synaptic funktioner använder traditionell elektronisk kretselement är dock nästan omöjligt9, i stället kräva design och tillverkning av ny hårdvara element som kan anpassas till inkommande signaler och minns information historia9. Dessa typer av synaps-inspirerade maskinvara är kända som mem-elements9,10,11 (kort för minne element), som enligt Di Ventra et al.9,11, passiv, två-terminal enheter vars resistans, kapacitans och induktans kan konfigureras som svar på yttre stimuli, och som kan komma ihåg tidigare stater11. För att uppnå energi konsumtionsnivåer närmar sig dem i hjärnan, bör dessa element anställa liknande material och mekanismer för synaptisk plasticitet12.
Hittills har två-terminal memristors13,14,15 huvudsakligen byggts med kompletterande metall-oxid-halvledare (CMOS) tekniken, kännetecknas av hög-Växla spänningar och hög ljudnivå. Denna teknik skalar inte väl på grund av hög energiförbrukning och låg densitet. För att hantera dessa begränsningar, har flera organiska och polymera memristors nyligen byggts. Dessa enheter uppvisar dock betydligt långsammare växlingen dynamics på grund av tidskrävande ion diffusion genom en ledande polymer matris16,17. Som ett resultat, är de mekanismer som både CMOS-baserade och ekologiska memristive enheter emulera synaps-inspirerade funktioner mycket fenomenologiska, som omfattar endast ett fåtal synaptic funktioner såsom Spike Timing beroende plasticitet (STDP) 18, medan med utsikt över andra viktiga funktioner som också spela viktiga roller i att göra hjärnan en kraftfull och effektiv dator, till exempel pre synaptic, kortfristiga plasticitet19.
Nyligen har introducerat vi en ny klass av memristive enheter12 med spänning-aktiverat peptider införlivas i biomimetiska lipid membran som härmar biomolekylär sammansättning, membranstruktur, och ion kanalväxling utlöses mekanismer för biologiska synapser20.  Här beskriver vi hur du monterar och elektriskt förhöra dessa två-terminal enheter, med särskild fokus på hur man utvärderar kortsiktiga plasticitet för genomförandet i online lärande program12. Enheten församling är baserad på droplet lipidens (DIB)21 gränssnittsmetoden, som har använts i stor utsträckning under de senaste åren för att studera biofysik modell membran21 -membran-bundna ion kanaler22,23, 24, och som byggstenar för utveckling av stimuli-lyhörd material25,26. Vi beskriver membran montering och förhör processen i detalj för dem intresserade av neuromorphic program men har begränsad erfarenhet av biomaterial eller membran biologi. Protokollet innehåller även en fullständig beskrivning av förfarandet för karakterisering, som är lika viktig som församlingen processen, då de dynamiska och omkonfigurerbara elektriska egenskaperna enhet27. Förfarande och representant resultaten beskrivs här är grunden för en ny klass av låg kostnad, låg strömförbrukning, mjuk mem-element utifrån lipid gränssnitt och andra biomolekyler för applikationer i neuromorphic computing, autonoma strukturer och system, och även adaptiv hjärna-dator gränssnitt.

<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

Möjlighet att återskapa synaptic funktioner i syntetiska kretselement är viktigt för neuromorphic computing system som syftar till att efterlikna hjärnans kognitiva befogenheter med jämförbar effektivitet och densitet. Hittills har kiselbaserade tre-terminal transistorer och två-terminal memristors har använts i neuromorphic kretsar, till stor del på grund av deras förmåga att samlokalisera informationsbehandling och minne. Men dessa enheter inte kan nå den sammankoppling och komplexiteten av hjärnan eftersom de är makthungriga, misslyckas med att imitera nyckel synaptic funktioner och lider av högt buller och hög Växla spänningar. För att övervinna dessa begränsningar, har vi utvecklat och kännetecknas en biomolekylär memristorn som efterliknar sammansättningen, strukturen och växling egenskaper biologiska synapser. Här beskriver vi processen för montering och karaktärisera biomolekylär memristors bestående av en 5 nm tjock lipid lipidens bildas mellan lipid-functionalized vattendroppar i olja och dopade med spänning-aktiverad alamethicin peptider. Medan liknande montering protokoll har använts för att undersöka biofysiska egenskaper av droplet-stödda lipid membran och membran-bundna jonkanaler, fokuserar denna artikel på viktiga ändringar av droplet lipidens gränssnittsmetoden avgörande för att uppnå konsekvent memristorn prestanda. Specifikt, beskriver vi processen Liposom förberedelse och införlivandet av alamethicin peptider i lipid lipidens membran, och lämpliga koncentrationer av varje beståndsdel samt deras inverkan på memristors samlade respons. Vi också detalj karakterisering processen av biomolekylära memristors, inklusive mätning och analys av memristive ström-spänning relationer erhålls via cyklisk voltametri, samt kortsiktiga plasticitet och lärande som svar på överläggsgrafer spänning puls tåg.

Figur 1 visar de experiment som används för att montera och karaktärisera den biomolekylär memristorn. Sänka de fria ändarna av elektroderna till botten av oljetanken, hittades som visas i figur 1b, bra att minimera vibrationer av elektroder och droppar som kan leda till variationer i uppmätta strömmen och lipidens område, särskilt i de fall där värme oljan kan generera Konvektiv flöde i oljan. Figur 2 visar förfarande...

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

Mjuk, låg strömförbrukning, biomolekylär memristors utnyttja liknande sammansättning, struktur och byta mekanismer av bio-synapser. Presenteras här erhålls ett protokoll att montera och karakterisera biomolekylär memristors från isolerande lipid lipidmonolager bildas mellan vattendroppar i olja. Införlivandet av spänning-aktiverad alamethicin peptider resulterar i memristive Joniska konduktans över membranet.

Montering och karakterisering av biomolekylär Memristors bestående av jonkanal-dopade Lipid membran

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

Vårt protokoll beskriver hur man monterar och karakteriserar elektriskt en peptidddopad biomembran som nära efterliknar sammansättning, struktur och transportegenskaper hos biologiska synapser och som uppvisar avstämbart minnesmotstånd. Denna teknik ger användarna möjlighet att bedöma aktivitetsberoende, minnesresistens och kortvarig plasticitet i konstruerade system vid tidsskalor och excitationsnivåer som är relevanta för biologiska synapser och jonkanaler. Denna teknik ger ett ramverk för att karakterisera biomimetiska membran som innehåller spänningsaktiverade jonkanaler, vilket gör det tillämpligt på karakterisering av en mängd olika cellulära transportprocesser, inklusive de i nervceller.Vårt förslag till nya forskare är att först bli skickliga på att förbereda liposomlösningar och montera en droplet gränssnitt bilayer på tråd-typ elektroder. Att se förstahandsinformation processen för droppdispensering och positionering på elektroder förenklar denna teknik för bilayer bildning, vilket gör den omedelbart tillgänglig för alla. Demonstrera detta förfarande kommer att Dr.Joseph Najem, en postdoc från mitt laboratorium.Till att börja, förbereda alameticin stamlösningen i mikrocentrifugröret genom att lösa upp alameticin peptider pulver i etanol till en slutlig koncentration av 2,5 milligram per milliliter. Vortexa röret kort för att blanda väl, och lagra stamlösningen i en minus 20 grader Celsius frys. I en 1,5 milliliter Safe-Lock rör, tillsätt en mikroliter av alameticin stamlösning till 99 mikroliter av lösning A för att uppnå en slutlig alametin koncentration av 13 mikromolar i liposom suspensionen.Vortex att blanda väl. Den resulterande peptidliposomen lösningen är lösning B.Mix 117 mikroliter av lösning A med 10 mikroliter av lösning B för att uppnå en slutlig alameticin koncentration av en mikromolar, och sedan virvel att blanda väl. Referera till den resulterande lösningen som C.Store lösningarna B och C vid fyra grader Celsius.Placera en en millimeter tjock 25 gånger 75 millimeter glassida på scenen i ett inverterat mikroskop. Dispensera några droppar hexadecane olja på mitten av glaset bilden, och sedan placera oljebehållaren direkt på oljan på glaset bilden. Fyll helt oljereservoaren med hexadecane olja.Se till att reservoaren är placerad ovanför objektivet objective. Anslut sedan elektrodhållaren till huvudet skede av en strömförstärkare monterad på en micromanipulator. Mikromanipulatorn minimerar elektrodlängd och elektriskt brus.Montera sedan glasmikropipettehållaren med den andra silver-silverkloridtråden på en annan mikromanipulator. Med hjälp av mikromanipulatorerna placerar du elektroderna så att de agarosbelagda spetsarna på silver-silverkloridtrådarna är helt nedsänkta i oljebehållaren vid ett liknande vertikalt plan. Rikta de två elektroderna och skilj dem åt med några millimeter.För att bilda lipidbilayer, flytta elektroderna vertikalt in i oljefasen. Använd mikropipettet för att deponera 200 nanoliter av lipidlösning A på var och en av ledningarna. Vänta i tre till fem minuter för att möjliggöra att spontana lipid monolayer montering ske vid gränssnittet vattenolja.Droppar kan sag om den omgivande oljan är tillräckligt mindre tät. Därefter sänk elektroderna till att åter sänka ändarna tills ändarna av båda elektroderna knappt vidrör botten av oljebehållaren. Sedan för att bilda bilayer, flytta elektroderna horisontellt för att få dropparna i kontakt.För att erhålla den klämda, hysteretic, ström-spänning relation, använda en funktion generator för att tillämpa triangulära eller sinusformal spänning vågform till en alamethicin-fri lipid membran ihop med droppar av lösning A.Record den inducerade ström svar över flera frekvenser. För att registrera storleken på interfacial lipid bilayer, antingen mäta diametern på lipidmembranet på dator eller spela in topp-till-topp ström amplituden till följd av 10 hertz, 10 millivolt trekantiga våg för att beräkna området av membranet. Ta ut ledningarna ur oljefasen för att avlägsna dropparna som inte innehåller något alametiskt.Tillsätt nya vattenhaltiga droppar med hjälp av lösning C och bilda en lipidbilager. Baserat på fyrkantsvågens strömamplitud, använd mikromanipulatorerna för att justera kontakten mellan droppar, så att bilayer har ett liknande område som det som bildades tidigare. Applicera sedan en 10-hertz och 10-millivolts spänningsvåg form, och spela in inducerad nuvarande svar som tidigare.För att genomföra pulsexperiment med hjälp av en anpassad programmeringsprogramvara och analog spänningskälla, generera spänningspulser med specifika höga och låga amplituder på tid och utanför tid. Registrera den aktuella som svar på tillämpade pulser. Handlingen i ström kontra spänning visar icke-noll ström svar vid tillämpningen av en spänning bias till en alamethicin-fri lipid bilayer.Lägg till 0,017 hertz, en frekvens där impedansen domineras av membranmotstånd. Ett lågt ohmic strömsvar visas för det starkt isolerande membranet. Handlingen i en lipid bilayer bildas mellan två droppar som innehåller alameticin peptider visar exponentiellt ökande strömmar vid spänningar högre än insättningströskeln på 100 millivolt.Vid hög spänning, alameticin peptider bosatta vid ytan av lipid bilayer infoga i membranet och aggregat för att bilda ledande porer. De symmetriska strömsvaren vid båda polariteterna beror på insättning och aggregering av separata populationer av peptider från motsatta sidor av membranet. Den kapacitiva strömmen måste subtraheras från den totala strömmen för att få endast den memristiva, klämda hysteresström-spänningsrespons.Den biomolekylära memristor svar på efterföljande spänningspulser med en ökning av kondutans under i tid, trots intermittent återställa ett isolerande tillstånd under varje off tid. Både den nuvarande stimulansen och tidigare stimuli bidrar till den nuvarande ökningen. Sammanhållande monolayers på båda dropparna måste bilda innan de förs samman för att bilda bilayer.Om dropparna förs samman för tidigt, de smälter samman och ingen bilayer bildas. Vi är nu designa och fabricera, microfluidic base neurala nätverk som består av solid state nervceller anslutna av membran-baserade synapser stöds av nätverk assimilering optimering av högpresterande superdatorer på ORNL. Dessa memristorer är de första som har sammansättning, struktur, växlingsmekanism, och jontransport av biologiska synapser.De ger alltså en biomolekylär grund möblerad lägga hjärnan-liknande datorer och 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

Biomolekylära Detection anställa interferometriska Sensor Reflektans Imaging (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

Syntes, församling, och karakterisering av monolager skyddade guld nanopartiklar Films för protein monolager Elektrokemi

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 Droppar: Två reningstekniker Betyg från jästceller och mänskliga moderkakor

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

Isolering och karakterisering av chimeriska mänskliga fc-uttrycka proteiner med protein A membran adsorbatorer och ett strömlinjeformat arbetsflöde

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 och montering av 3D mikrokärl

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

Sammanslagning jonkoncentration Polarisering mellan intill varandra placerade jonbytesmembran för att blockera utbredningen av Polarization 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 metod för att odla Bio-memristors från Slime 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

Påvisande av Endotoxin i Nano-formuleringar använder Limulus immobiliserat 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

Tillväxt och karakterisering av bestrålade Organoider från bröst körtlar

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

Fokuserad jonstråle litografi till etch nano-arkitekturer i mikroelektroder

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