Vergadering en karakterisering van biomoleculaire Memristors bestaande uit ionkanaal-doped lipide membranen
Summary
Zacht, low-power, biomoleculaire memristors hefboomwerking dezelfde samenstelling, structuur en omschakeling van de mechanismen van de bio-synapsen. Hier gepresenteerd is een protocol te monteren en karakteriseren van biomoleculaire memristors verkregen isolerende lipide bilayers gevormd tussen waterdruppeltjes in olie. De opneming van spanning-geactiveerde alamethicin peptiden resultaten in de Ionische huidgeleiding memristive over het membraan.
Abstract
De mogelijkheid om te recreëren synaptic functionaliteiten in synthetische schakelingselementen is essentieel voor neuromorphic computersystemen die streven naar emuleren de cognitieve bevoegdheden van de hersenen met een vergelijkbare efficiëntie en dichtheid. Tot op heden, hebben silicium gebaseerde drie-terminal transistors en twee-terminal memristors wijd gebruikt in neuromorphic schakelingen, grotendeels vanwege hun vermogen om mede Zoek informatieverwerking en geheugen. Maar deze apparaten de interconnectiviteit en de complexiteit van de hersenen niet bereiken omdat ze macht-hongerige, niet belangrijkste Synaptische functionaliteiten nabootsen, en lijden hoge ruis en hoge spanningen te schakelen. Deze beperkingen wilt opheffen, hebben wij ontwikkeld en een biomoleculaire memristor die de samenstelling, structuur en switch kenmerken van biologische synapsen bootst gekenmerkt. Hier beschrijven we het proces van de montage en karakterisering van biomoleculaire memristors bestaande uit een 5 nm-dikke lipide dubbelgelaagde gevormd tussen lipide-matiemaatschappij waterdruppeltjes in olie en doped met spanning-geactiveerde alamethicin peptiden. Terwijl soortgelijke vergadering protocollen zijn gebruikt voor het onderzoeken van biofysische eigenschappen van druppel-ondersteunde lipide membranen en membraan-gebonden ionenkanalen, dit artikel richt zich op de belangrijkste wijzigingen van de druppel dubbelgelaagde interfacemethode essentieel voor het bereiken van overeenstemming memristor prestaties. Specifiek, beschrijven we het voorbereidingsproces liposoom en de opneming van alamethicin peptiden in lipide dubbelgelaagde membranen en de juiste concentraties van elk bestanddeel, alsmede hun impact op de algehele reactie van de memristors. Wij ook detail de karakterisering van proces van biomoleculaire memristors, met inbegrip van meting en analyse van memristive stroom-spanning relaties verkregen via cyclische voltammetrie, evenals op korte termijn plasticiteit en leren in reactie op Stapsgewijze spanning pulse treinen.
Introduction
Het wordt algemeen erkend dat biologische synapsen verantwoordelijk zijn voor de hoge procesefficiëntie en de enorme parallellisme van de hersenen als gevolg van hun vermogen om te leren en informatie in zeer adaptieve manieren verwerken. Deze gecoördineerde functionaliteit blijkt uit meerdere, zeer complexe moleculaire mechanismen die rijden zowel kortetermijn- en langetermijnmaatregelen synaptische plasticiteit1,2,3,4,5. Neuromorphic computersystemen willen emuleren synaptic functionaliteiten op niveaus nadert de dichtheid, de complexiteit en de energie-efficiëntie van de hersenen, die nodig zijn voor de volgende generatie van hersenen-achtige computers6,7 , 8. synaptic functies met behulp van elementen van de traditionele elektronische schakeling te reproduceren is echter vrijwel onmogelijk9, in plaats daarvan vereist het ontwerp en de fabricage van nieuwe hardware-elementen die kunnen passen aan inkomende signalen en vergeet niet informatie geschiedenissen9. Deze types van synapse-geïnspireerde hardware staan bekend als mem-elementen9,10,11 (afkorting van geheugenelementen), die volgens Di Ventra et al.9,11, passieve, twee-terminal apparaten waarvan weerstand, capaciteit of inductie kan opnieuw worden geconfigureerd in reactie op externe prikkels, en die voorafgaande Staten11kan herinneren. Om energieverbruik nadert die in de hersenen, deze elementen moeten in dienst soortgelijke materialen en mechanismen voor de Synaptische plasticiteit12.
Tot op heden zijn twee-terminal memristors13,14,15 overwegend gebouwd met behulp van aanvullende metal-oxide-semiconductor (CMOS) technologie, gekenmerkt door hoge-switching spanningen en hoge ruis. Deze technologie schaalt niet goed vanwege het hoge energieverbruik en lage dichtheid. Om aan deze beperkingen, zijn onlangs meerdere organische en polymere memristors gebouwd. Deze apparaten vertonen echter aanzienlijk langzamer switch dynamiek als gevolg van de tijdrovende ion verspreiding via een geleidend polymeer matrix16,17. Dientengevolge, zijn de mechanismen waarmee beide apparaten CMOS-gebaseerde en biologische memristive synapse-geïnspireerde functionaliteiten emuleren zeer fenomenologische, omvat slechts een paar synaptic functionaliteiten zoals Spike Timing afhankelijk plasticiteit (STDP) 18, terwijl met uitzicht op andere belangrijke functies die spelen ook een essentiële rol in het maken van de hersenen een krachtige en efficiënte computer, zoals vooraf synaptic, op korte termijn plasticiteit19.
We introduceerde onlangs, een nieuwe klasse van memristive apparaten12 met spanning-geactiveerde peptiden biomimetische lipide membranen opgenomen die de Biomoleculaire samenstelling, membraan structuur en ion geactiveerd kanaal schakelen bootst mechanismen van biologische synapsen20. Hier beschrijven we hoe te monteren en elektrisch ondervragen van deze twee-terminal-apparaten, met specifieke focus op hoe te te evalueren op korte termijn plasticiteit voor uitvoering in online leren toepassingen12. Vergadering van het apparaat is gebaseerd op de druppel interface dubbelgelaagde (DIB)21 -methode, die is gebruikt uitgebreid in de afgelopen jaren te studeren de biofysica van model membranen21 en membraan-gebonden ion kanalen22,23, 24, en als bouwstenen voor de ontwikkeling van prikkels-responsieve materialen25,26. We beschrijven het membraan vergadering ondervraging proces en in detail voor diegenen die geïnteresseerd zijn in neuromorphic toepassingen maar beperkte ervaring in biomaterialen of membraan biologie. Het protocol bevat ook een volledige beschrijving van de procedure van karakterisering, die net zo belangrijk als het proces van de vergadering is, gezien de dynamische en herconfigureerbare elektrische eigenschappen van het apparaat-27. De procedure en vertegenwoordiger resultaten die hier worden beschreven zijn fundamenten voor een nieuwe klasse van low cost, low-power, zachte mem-elementen op basis van lipide interfaces en andere biomoleculen voor toepassingen in de neuromorphic computing, autonome structuren en systemen, en zelfs adaptieve hersenen-computer interfaces.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit document stelt een protocol voor het monteren en karakteriseren van biomoleculaire memristors afhankelijk van de ion kanaal-doped synthetische biomembranen gevormd tussen twee druppeltjes van water in olie. Het zachte materiaal, twee-terminal apparaat is ontworpen en studeerde tot: 1) overwinnen beperkingen die gekoppeld aan solid-state technologie, zijn zoals hoge ruis, hoog energieverbruik en hoog het schakelen van spanningen, 2) nauwer na te bootsen de samenstelling, structuur over te schakelen van mechanismen voo…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financiële steun werd voorzien door de National Science Foundation Grant NSF ECCS-1631472. Onderzoek voor G.J.T., C.D.S., A.B., en C.P.C. was gedeeltelijk gesponsord door het laboratorium gericht onderzoek en ontwikkeling programma van Oak Ridge National Laboratory, beheerd door UT-Battelle, LLC, voor het Amerikaanse ministerie van energie. Een deel van dit onderzoek werd uitgevoerd in het midden voor Nanophase Materials Sciences, die een DOE-Office van wetenschap gebruiker faciliteit is.
Materials
| 1,2-diphytanoy-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) | Avanti Polar Lipids | 850356P/850356C | Purchased as lyophilized powder (P) or in chloroform (C) |
| Agarose | Sigma-Aldrich | A9539 | |
| Agarose (0.5g Agarose Tablets) | Benchmark | A2501 | You can either use the powder form or the tablets |
| Alamethicin | AG Scientific | A-1286 | |
| Analytical balance | Mettler Toledo | ME204TE/00 | |
| Axopatch 200B Amplifier | Molecular Devices | – | |
| BK Precision 4017B 10 MHz DDs Sweep/Function Generator | Digi-Key | BK4017B-ND | |
| Borosilicate Glass Capillaries | World Precision Instruments | 1B100F-4 | |
| Brain Total Lipid Extracts (Porcine) | Avanti Polar Lipids | 131101 | |
| DigiData 1440A system | Molecular Devices | – | |
| Extruder Set With Holder/Heating Block | Avanti Polar Lipids | 610000 | This includes a mini-extruder, 2 syringes, 100 PC membranes, 100 filter supports, and 1 holder/heating block |
| Freezer (-20 °C) | VWR International | SCUCBI0420AD | |
| Glassware | VWR International | – | |
| Hexadecane, 99% | Sigma-Aldrich | 544-76-3 | |
| Isopropyl Alcohol | VWR International | BDH1133-4LP | |
| Microelectrode Holder | World Precision Instruments | MEH1S | |
| MOPS | Sigma-Aldrich | M1254 | |
| Nitrogen (N2) Gas | Airgas | UN1066 | |
| Parafilm M All-Purpose Laboratory Film | Parafilm | PM999 | |
| Powder Free Soft Nitrile Examination Gloves | VWR International | CA89-38-272 | |
| Precleaned Microscope Sildes | Fisher Scientific | 22-267-013 | |
| Refrigirator (4 °C) | VWR International | SCUCFS-0504G | |
| Silver wire | GoodFellow | 147-346-94 | Different diameters could be used depending on the application |
| Sodium Chloride (KCl) | Sigma-Aldrich | P3911 | |
| Stirring Hot Plate | Thermo Scientific | SP131325 | |
| VWR Light-Duty Tissue Wipers | VWR International | 82003-820 | |
| VWR Scientific 50D Ultrasonic Cleaner | VWR International | 13089 |
Referências
- Thompson, R. F. The neurobiology of learning and memory. Science. 233 (4767), 941-947 (1986).
- Squire, L. R. Memory systems of the brain: a brief history and current perspective. Neurobiology of learning and memory. 82 (3), 171-177 (2004).
- Benfenati, F. Synaptic plasticity and the neurobiology of learning and memory. Acta Bio Medica Atenei Parmensis. 78 (1Suppl), 58-66 (2007).
- Marx, G., Gilon, C. The molecular basis of memory. ACS Chemical Neuroscience. 9 (8), 633-642 (2012).
- Izquierdo, I., Medina, J. H. Memory formation: the sequence of biochemical events in the hippocampus and its connection to activity in other brain structures. Neurobiology of learning and memory. 68 (3), 285-316 (1997).
- Merolla, P. A. A million spiking-neuron integrated circuit with a scalable communication network and interface. Science. 345 (6197), 668-673 (2014).
- Benjamin, B. V. Neurogrid: A mixed-analog-digital multichip system for large-scale neural simulations. Proceedings of the IEEE. 102 (5), 699-716 (2014).
- Furber, S. Large-scale neuromorphic computing systems. Journal of neural engineering. 13 (5), 051001 (2016).
- Di Ventra, M., Pershin, Y. V. The parallel approach. Nature Physics. 9 (4), 200-202 (2013).
- Chua, L. Memristor-the missing circuit element. IEEE Transactions on circuit theory. 18 (5), 507-519 (1971).
- Di Ventra, M., Pershin, Y. V., Chua, L. O. Circuit elements with memory: memristors, memcapacitors, and meminductors. Proceedings of the IEEE. 97 (10), 1717-1724 (2009).
- Najem, J. S. Memristive Ion Channel-Doped Biomembranes as Synaptic Mimics. ACS Nano. , (2018).
- Strukov, D. B., Snider, G. S., Stewart, D. R., Williams, R. S. The missing memristor found. Nature. 453 (7191), 80-83 (2008).
- Prezioso, M. Training and operation of an integrated neuromorphic network based on metal-oxide memristors. Nature. 521 (75550), 61-64 (2015).
- Prodromakis, T., Toumazou, C., Chua, L. Two centuries of memristors. Nature Materials. 11 (6), 478 (2012).
- Berzina, T. Optimization of an organic memristor as an adaptive memory element. Journal of Applied Physics. 105 (12), 124515 (2009).
- van de Burgt, Y., Melianas, A., Keene, S. T., Malliaras, G., Salleo, A. Organic electronics for neuromorphic computing. Nature Electronics. 1, (2018).
- Dan, Y., Poo, M. M. Spike timing-dependent plasticity: from synapse to perception. Physiological reviews. 86 (3), 1033-1048 (2006).
- Zucker, R. S., Regehr, W. G. Short-term synaptic plasticity. Annual Reviews of Physiology. 64 (1), 355-405 (2002).
- Shepherd, J. D., Huganir, R. L. The cell biology of synaptic plasticity: AMPA receptor trafficking. Annual Review of Cell Developmental Biology. 23, 613-643 (2007).
- Taylor, G. J., Venkatesan, G. A., Collier, C. P., Sarles, S. A. Direct in situ measurement of specific capacitance, monolayer tension, and bilayer tension in a droplet interface bilayer. Soft Matter. 11 (38), 7592-7605 (2015).
- Najem, J. S. Activation of bacterial channel MscL in mechanically stimulated droplet interface bilayers. Scientific Reports. 5, 13726 (2015).
- Taylor, G. J. Capacitive Detection of Low-Enthalpy, Higher-Order Phase Transitions in Synthetic and Natural Composition Lipid Membranes. Langmuir. 33 (38), 10016-10026 (2017).
- Taylor, G. Electrophysiological interrogation of asymmetric droplet interface bilayers reveals surface-bound alamethicin induces lipid flip-flop. Biochimica et biophysica acta (BBA)-Biomembranes. , (2018).
- Sarles, S. A., Garrison, K. L., Young, T. T., Leo, D. J. Formation and Encapsulation of Biomolecular Arrays for Developing Arrays of Membrane-Based Artificial Hair Cell Sensors. Proceedings of the Asme Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems (Smasis 2011), Vol 2. , 663-671 (2011).
- Sarles, S. A., Leo, D. J. Membrane-based biomolecular smart materials. Smart Materials & Structures. 20 (9), (2011).
- Sarles, S. A. . Physical encapsulation of interface bilayers. , (2010).
- JoVE Science Education Datatbase. Organic Chemistry II. Cleaning Glassware. Journal of Visualized Experiments. , (2018).
- Taylor, G. J., Sarles, S. A. Heating-enabled formation of droplet interface bilayers using Escherichia coli total lipid extract. Langmuir. 31 (1), 325-337 (2014).
- Shlyonsky, V., Dupuis, F., Gall, D. The OpenPicoAmp: an open-source planar lipid bilayer amplifier for hands-on learning of neuroscience. Plos One. 9 (9), e108097 (2014).
- Najem, J. S. Micropipette-based Method for Incorporation And Stimulation of Bacterial Mechanosensitive Ion Channels in Droplet Interface Bilayers. Journal of Visualized Experiments. (105), (2015).
- Bayley, H. Droplet interface bilayers. Molecular Biosystems. 4 (12), 1191-1208 (2008).
- Nguyen, M., Srijanto, B., Retterer, S., Collier, C. P., Sarles, S. A. Hydrodynamic trapping for rapid assembly and in situ electrical characterization of droplet interface bilayer arrays. Lab on a Chip. 16, 3576-3588 (2016).
- Weiss, R., Najem, J. S., Hasan, M. S., Schuman, C. D., Belianinov, A., Collier, C. P., Sarles, S. A., Rose, G. S. A Soft-Matter Biomolecular Memristor Synapse for Neuromorphic Systems. , (2018).
