この研究は、プリマス大学人文芸能学校で賄われていた。著者は、その導電性 PLA のサンプルを提供するため Functionalize を認識したいと思います。

1 です 3 d 印刷容器の作製 印刷層温度を 85 ° C に設定するプリンター インターフェイスを使用して <ol><li>、蓋とベース <ol><li>ロード 3 d プリンターと耐衝撃性ポリスチレン (HIPS)。230 ° C に押出機温度に達すると、アイドラー アームを緩め、フィラメントを挿入し、高温端から押し出しが開始されるまで押し下げます。その後、フィラメント アイドラー アームをしっかりし、押出された材料を削除します</li>。
		<li>ソフトウェアは、通常 [ファイル] タブに移動し、取り込み/開くオプション ( 図 2) を選択することによって達成することができますスライス 3 D プリント 3 D レセプタクル STL モデル ファイルをインポートします</li>。
		<li>品質印刷設定の高低提供していますソフトウェアをスライスも正しい材料プロファイルが選択されていることを確認しながら高品質を選択します 。
		注: ことを確認 1 つの実行のいくつかの容器を印刷は、ソフトウェアは一度に 1 つのオブジェクトを印刷に設定されます。金具を一緒にするときにトレランス問題が発生可能性が高いが印刷の品質が低下する可能性がある場合は、この手順はスキップされます</li>。
		<li>印刷が完了したら、印刷ベッド温度が 50 ° C 部分を削除するまでを待機します</li>。
		<li>電極チャンバーをフィッティングするときに障害を引き起こす可能性があります任意の欠陥の電極ソケットをオフに細いワイヤー ブラシを使用して軽く</li>。
	</ol></li> <li>電極 <ol><li>クリーニング フィラメントの腰フィラメントを交換し、プリント ヘッドを介して材料の多くを実行します</li>。
		<li>体積抵抗率 0.75 Ω cm 以下には導電性ポリ乳酸 (PLA) 繊維プリンターします</li>。
		<li>60 ° C と 230 ° C を押出機に印刷層温度を設定 (手順 1.1.1 ガイダンスを参照してください).</li>
		温度に達すると、<li>は、プリント ヘッドをフィラメントの数センチを押し出します。このプロセスは以前のセッションからのすべての粒子が削除されていることを確認を役立ちます</li>。
		<li>電極 STL ファイル ( 図 3) を読み込むスライス ソフトウェア、3 D プリントを使用しています</li>。
		<li>印刷の設定では、次の指定: レイヤーの高さ = 0.16 mm、厚み 1.7 mm、下部/上部を = = 0.74 mm、塗りつぶし密度 = 100% ( 図 4).</li>
		<li>かどうかは、一度に 1 つずつを印刷するプリンターを設定 1 つの実行に複数の電極を印刷します</li>。
		<li>一度、印刷電極印刷ベッドの上までまま彼らを室温に冷却しました。これにより部分がゆがんだし、ゆがんでなってない</li>。
	</ol></li> <li>レセプタクル アセンブリ <ol><li>2 つの部屋それぞれに電極をスロットします。1.1.5 の手順が正しく完了したら、電極が多くの力なしの部屋に行く必要があります</li>。
		<li>ポリ塩化ビニル (PVC) 管 (内径 4 mm と 6 mm 外径) は、それぞれの端がまっすぐ、きれいにカットできるように世話の 10 mm を切る鋭いメスを使用しています</li>。
		<li>2 つの電極の縁に 10 mm 塩ビ管の両端を軽く動かして緩め</li>。
		<li>一度接続すると、2 つの部屋をベースにクリップします</li>。
	</ol></li></ol> 2。容器の準備と フロントダイナミクス 接種 <ol><li>2% 寒天培地準備 <ol><li>250 mL ガラス瓶の中に非栄養微生物寒天 2 g を入れて</li>。
		<li>100 mL の脱イオン水を加え、よく混ぜる</li>。
		<li>オートクレーブ 121 ° C、15-20 分の沸騰水のお風呂で 12 〜 15 分のためのびん</li>
	</ol></li> <li>寒天基板をソケットに設定 &#39; s 室 <ol><li>湯せんまたは電子レンジを使用して寒天を溶かすです</li>。
		<li>溶融寒天 2 mL ピペットを入力します</li>。
		<li>容器の各 &#39; ピペット内部のベースの上約 5 mm のペン先をホバリングしゆっくりと接続の下部まで井戸の室チューブ穴</li>。
		<li>井戸を充填後、各部屋のふたを配置し、寒天が設定室温に達するまで容器を脇にすぐにします</li>。
	</ol></li> <li>フロントダイナミクス 接種 <ol><li>2 つの部屋それぞれにオート麦フレークを配置します</li>。
		<li>、飢えたから仮の 1 つの 2 mL blob を削除する (約 12 時間) マラリア原虫の文化、2 つの部屋の 1 つに配置します。スピーディな成長を促進するため、有機体の前方から最も活発な原形質をとろうと</li>。
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol>
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著者が明らかに何もありません。

この論文では、myxomyceteフロントダイナミクスから memristors を成長のための方法を発表しました。生物は、バイオ memristors を実装に関連付けられている制約のいくつかを克服するために設計された 3 D 印刷容器の中栽培されています。このような制限は、セットアップ時間、サンプル成長時間サンプル - 成長条件と電気の観測のための標準化の欠如をなど。
私たちのコンセントは、最初半島芸術現代音楽祭 2016 (PACMF)、それぞれのウェブサイト15印刷された広報資料で 2015 年に明らかになった。ここでは、当社の技術を使用して開発したライブ音楽家に音楽の伴奏を生成可能なハイブリッド ハードウェア バイオウェア社インタラクティブな音楽システム。参照14では、私たちのレセプタクルの広範なテストの報告し、以前のアプローチ9,10に対して結果を比較しました。こうした研究者の別のグループはその後研究生物の thermistive プロパティ16に作成の成長環境を探検が、これらはメムリスティブ プロパティと同じではありません。フロントダイナミクスmemristors13,17を実装するための制御方法の開発を他の 2 つの試みがあるだけされてただし。これらの実験で井戸がポリジメチルシロキサン (PDMS) と呼ばれるゲル状の生体適合性エラストマー材料からなされ、電極は、様々 な金属や poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) を使用して作成されました。これらの材料は、エレクトロニクス、マイクロ、バイオニック技術で使用されることが日常的に、彼らは、高価とを使用するいくつかの専門知識を必要とします。たとえば、PEDOT:PSS、導電性を改善するためにスピン コーティングとドーピングが必要。したがって、技術、専門家のリソースへのアクセスを持っていない人々 のため届かない。この記事で紹介した容器は、方法および容易にアクセス、安価な材料を使用します。さらに、デザインは、時間の任意の期間のセルを維持する試みは作られてない他のフロントダイナミクスmemristor プロトタイプと対照をなしてある生息地にマラリア原虫の快適な環境を提供します。
今までは、ペトリ皿 (図 5、左) の有機物を培養するため上記の方法を使用して一貫性のある V の測定値を得ることが困難だった。私たちのメソッドはこのシナリオを大幅に向上 (図 6)。設計は成長時間を減少、寿命を増加、構成要素の反応を標準化、有機物をカプセル化する保護された微小環境を作成私たちのコンセントのテストの結果を示しています。さらに、デバイスは、電気方式のコンポーネントとして有機物を統合する可能な手段を提供します。
提案手法では、電気システム内フロントダイナミクスmemristors を利用することに関連する問題の数が軽減されます。しかし、さらに研究・開発を必要とする制限があります。まず、結露は、コンセントが迅速な温度変化を受ける場合、または高電圧長期間にわたって接続チューブの内面に収集できます。後者は生物の高抵抗が発生する電気エネルギーの熱に転送するためです。、重要な場合、結露は、接続チューブの両端に 2 つの電極間の低耐性経路を作成できます。この制限は、memristors がオーバー ロードされていないことを確保することによって効果的に管理できます。第二に、コンポーネント - から memristors 提案手法を使用して生産の全体的な抵抗があります。このような現象は、原形質流動の管の外径を制限しないアプローチの結果可能性があります。その結果、ユーザーは、memristors の応用に校正プロセスを組み込む必要があります。
この方法のおかげで我々 は今フロントダイナミクスメムリスティブ観測の原因となっている生物学的プロセスの研究を開始できます。このようなプロセスが利用できるかもしれない動的パラメーターをそれは要素の使用を強化します。我々 は、電位依存性イオン チャネルが memristance の役割を果たす場合を確認する細胞外のイオン濃度を変更する、いくつかの予備的な実験を実行して始めています。
提示された容器がフロントダイナミクスmemristors を実装するためにのみ設計されています。これらのデバイスが、しかし、以外にも 1 つのコンポーネントを実装するための使用を持っています。たとえば、参照12,18, 原形質流動管は自己組織化と自己修復の生物学的線として検討しました。両方これらの調査で研究者を示したスキームに従って原形質のチューブを成長の方法を確立するさらなる作業が必要であります。この論文で提唱のレセプタクルは、2 つ、または可能性のある複数の点の間の管の生産の輪郭を描く方法を提供します。図 7は、健康的な管の長さを成長するコンセントが使えるを示す 2 枚の写真を示しています 100 mm 以上。リファレンス18、原形質流動のチューブの伝達関数を調べた。この調査から有機体が電気システムに統合する場合チューブを成長に必要な寒天が問題を引き起こす可能性があることを示唆しました。これは基板の容量です。ここに示す容器はまだ高い湿度を保つために寒天を必要とします。ただし、レセプタクルの設計への小さな変更、取り外し可能なチューブを作成することが可能です。このセットアップは、成長が完了し電気システムにクリップされたチャンバーから切断する管用可能です。さらに、チューブの健康悪化し始めると、一度それに再接続する食品や休息のための新しい部屋自体が、修理して再使用できるまで。図 8は、チャンバーから切断されている長い管の写真を示しています。今後の研究は、原形質流動管の電気的特性提示法を用いた長さで成長して、寒天なしを調査するため必要です。

今日のコンピューターの 3 つの 2 端子基礎受動回路素子を使用して構築: コンデンサー、抵抗、およびインダクタ。受動素子が消かそれを生成しない、エネルギーを蓄積することができるのみです。これらの要素は、18番目と19 世紀に設立された、マクスウェル方程式を介してリンクされます。我々 は 2 つ 4 つの回路変数の間の関係の面でこれらの 3 つの回路のコンポーネントのそれぞれを定義すなわち、(I) 電流、電圧 (V)、電荷量 (Q)、磁束 (φ)。料金は電流の時間積分とファラデーの法則は、フラックスの時間積分として電圧を定義します。したがって、コンデンサーの電圧と電荷の関係によって定義されます、抵抗器は、電圧と電流の関係によって定義およびインダクタはフラックスとの関係で定義され現在。世紀以上も、これらの要素は、エレクトロニクスの基礎だった。ただし、彼らはのみ 3 つのフラックス ・ リンクとリンク解除料金を残して回路変数間可能性のある 4 つの関係のペアを表します。1971 年に Leon Chua は、彼は彼は、memristor と呼ばれる残りの 2 つの変数をリンクされている不足している 4 番目の要素があったことを仮定した紙1を公開しました。Memristor をすることができます収縮 'メモリ抵抗' その歴史を覚えている抵抗として記載されています。この要素は以前に適用された電圧とその期間の大きさによると、その抵抗を変えることによって機能します。また、電圧が適用されなくなった後、memristor はその最後の抵抗の状態を保持します。異なり、コンデンサー、抵抗器、インダクタ、memristor の行動は非線形、AC 電圧の下でピンチのヒステリシス ループを形成する、その - V プロファイルで明らかです。このループは、高と低抵抗状態の 2 つの垂直振動を含むリサージュ図の形式をとります。チュアの形式化された memristance 理論の前にポリマーやマイクロメータで電気機器の開発と共に、金属酸化物などの材料を試してみるときは、メモリ抵抗効果特定の周波数でので他の研究者の報告していたスケール2。ただし、多くの場合、これらの効果は望ましくない考慮されました。メムリスティブ効果を悪用する手法を開発する研究者、物理デバイスに接続するチュアの形式化のためほぼ 40 年かかった。HP 研究所のチームは、要素の大きな関心を点火 2008年3メムリスティブ デバイスを製造に成功しました。
コンピューター科学者は、memristor 単一ユニットの処理とメモリの能力を結合する最初の要素としてクレジットされてそれのために強い関心を持ってください。また、スパイク タイミング依存可塑性 (STDP) など4名が 1 つの特定の神経学的なプロセスに類似している動作が表示されます。このような行動は、5メモリ、中央処理装置 (CPU) の区別を放棄する脳のようなコンピューティング技術を構築の視点に上昇を与えています。(たとえば TiO2を使用して) memristors を開発する一般的なアプローチとは対照的私たちの野心、有機バイオ-memristor を開発します。さらに、このコンポーネントが工学コンピューティング デバイスへの従来のアプローチを超えてパラダイムを探るための手段を提供する方法に興味があります。例えば、コンピューター音楽6の分野で創造的なアプリケーション。
Memristance は、研究者は生物学的システムの範囲で最近発見した効果です。たとえば、メムリスティブ プロパティは、アロエベラ植物7と人間の皮8、引用するが、2 つで観察されています。これらの発見は、生物学的基板上への処理およびメモリ デバイスを実装することが可能があることを示します。テクノロジ内で有機体システムを活用ができるよう自己刺激的な概念を探求する私たち、自己修復、低環境負荷と電源投入自己。しかしこれらの機会を用いて、いくつかの課題に対処する必要があります。メムリスティブ プロパティを持つ生物学的システムの多くは、実際の電子部品として彼らの生存率を制限する大きな制約があります。たとえば、アロエベラ葉7は、光を必要し、限られた寿命を持つ回路に統合することは困難になります。さらに、いくつかその他体内メムリスティブ現象、人間の汗管8などは日常の電子システム、実験室の外の使用のためのシステムを開発するために現在実行可能なオプション。しかし、すべてのメムリスティブ現象の 1 つの潜在的な候補がある:フロントダイナミクス。
フロントダイナミクスのマラリア原虫はメムリスティブ コンポーネント9,10として発見されている非晶質の単細胞系です。この生物は、さまざまな理由でハイブリッド ハードウェア人間の頭脳のエレクトロニクスの研究のための理想的な候補です。まず、有機物は非病原性、マクロ、レンダリング、マラリア原虫をエンジニアや非生物学者にアクセス可能な専門装置の使用は必要ありません。第二に、セルは非晶質では、ワイヤーのような静脈のネットワークを形成、ほとんど基板 (図 1) に成長します。これらのプロパティは、セルの形態は、従来の電気方式に合わせて簡単に線引きすること。また、マラリア原虫が 4 年11、生きることができるし、の静脈が自己補修型導電性経路12として機能できることを示す研究があります。いくつかの研究は、生物のメムリスティブ能力9,10,13を確認しているし、今がその可能性を探るに熟した。
Pを使用してのアイデア。体memristors は比較的新しいです。その結果、測定及びその電気特性に対する確立された標準がないです。同じ研究グループ内およびグループ間の実験プロシージャの均一性のない理由の中に矛盾がある掲載結果9,10があります。このような変化はサンプルの成長条件と処理で最も顕著なそうです。したがって、我々 は製造方法を確立する必要があります、制御エラーを引き起こす可能性のある要因がより良いフロントダイナミクスmemristors をテストし、監視します。 さらに、我々 は電気システムに安定性と容易な統合を可能にするフロントダイナミクスmemristors を実装するためのメソッドを作成する必要があります。
本稿で紹介した方法は、電気回路図にコンポーネントとして有機物を組み込むための手段を提供することによってフロントダイナミクスmemristors の実用的なアプリケーションの探査のためのプラットフォームを提供します。これらの技術が実際使用するハイブリッド ハードウェア人間の頭脳系を探索する探しているエンジニアにアピールする可能性が高いです。さらに、それは非専門家 (例えば、オープン ソース電子プロトタイピング愛好家) にアクセスできる人は、型破りなコンピューティングの側面での実験に興味があるかもしれないに適応するプロトタイプを見つけるは難しいそれを発見した、必要があります。スパイク動作、ステートフルな l を実行するアプローチを開発 memristors を活用する確率モデルを実装するいくつかの潜在的なアプリケーションが含まれますogic 操作と情報ストレージの神経学的なプロセスのモデリングと処理します。

<table><tbody><tr><td>Conductive PLA filament 2.85mm</td><td>Functionalize</td><td>FE_1LB_2.85MM</td><td>Conductive 3D Printing Filament</td></tr><tr><td>HIPS Filament 3mm 1KG (black)</td><td>NuNus</td><td>104856</td><td>3D printing filament</td></tr><tr><td>Cleaning Filament, 3mm, 0.1 kg, Natural</td><td>3D Prima</td><td>3DPCLEAN300</td><td>3D cleaning filament</td></tr><tr><td>Lulzbot Taz 5</td><td>Lulzbot</td><td>TAZ 5</td><td>3D printer</td></tr><tr><td>Agar powder</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>0504</td><td>Non-nutrient microbiological Agar powder</td></tr><tr><td>4mm ID x 6mm OD Clear PVC Tubing Pipe Hose 5 Metres</td><td>Amazon</td><td>B008NC4JUO</td><td>Roll of PVC tubing</td></tr><tr><td>Physarum polycephalum Plasmodium, Living, Plate</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td>156193</td><td>Plasmodium culture.</td></tr><tr><td>Oat Flakes</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td></td><td>Oak flakes to feed the Plasmoidum</td></tr><tr><td>Cura</td><td>Lulzbot</td><td>Cura LulzBot Edition</td><td>https://www.lulzbot.com/cura</td></tr><tr><td>230 Programmable Voltage Source</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Voltage source instrument.</td></tr><tr><td>617 Programmable Electrometer</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Electrometer to measure low currents.</td></tr></tbody></table>

a method for growing bio-memristors from slime mold

本研究は、新規バイオエレクトロニクス システムと生物学に基づくコンピューティングのアーキテクチャを設計するために有機体の電子特性のよりよい理解を得ることを目指しています。この特定の用紙は単細胞粘粘菌バイオ memristors (または生物 memristors) を開発するを活用に焦点を当て、バイオ コンピューティング デバイス。Memristor はメモリを所有している抵抗です。それは第 4 回基礎受動回路要素 (他の 3 つは、抵抗器、コンデンサー、およびインダクタ)、新しい種類のコンピューティング システムの設計のための道筋を例えばストレージと中央処理装置の区別を放棄する可能性がありますコンピューター。AC 電圧で適用されると、電流電圧特性、memristor の対はピンチのヒステリシス ループです。それは、フロントダイナミクスの AC 電圧の下でピンチのヒステリシス ループが生成されますされ、適応行動、memristor の機能に匹敵する示されています。本稿では、フロントダイナミクスとバイオ memristors を実装する我々 が開発した手法を提案する, 電子回路コンポーネントとしての展開を容易に有機体の文化に容器の開発を紹介します。本手法は、成長時間を短縮、コンポーネントの寿命を増加および電気観測を標準化する証明されています。

代表的な結果を生成するには、我々 は上記の正確な方法を使用して 5 つのサンプルを設定します。コントロール、初期フロントダイナミクスmemristor 調査9,10で説明した方法を使用しても 5 つのサンプル整理されました。ここでは、我々 は 60 mm ペトリ皿内 ~ 10 mm の距離で 2 つの電極を配置しました。各電極は、錫メッキ銅線 (0.2 mm で 16 略) 2% 非栄養素脱寒天 (~ 2 mL) でいっぱいの円 (直径 ~ 20 mm) から成っていた。すべてのサンプルは、成長時間を検討するタイムラプス画像経由で監視されました。ここでは、5 レセプタクル サンプルには、接種の 10 h の内で 2 つの電極が接続されています。これらの最速 2 時間未満で育った、最長 7 時間 24 分のすべての 5 つのサンプルの間で平均平均成長時間、10 h。コントロール サンプルの 4 生産リンク接種電極が伝播されますが、必要な接続が行われる前に乾いて原形質流動管と 1 つ。かかった遅いコントロール サンプル 26 時間 15 分の間平均成長時間の 36 h の 19 h 内の接続をコントロール サンプルの最速にしました。これらのデータは、memristors 提示法を用いた成長の成長時間の大幅な減少を示しています。
メモリスタの - V プロファイルは、その最も定義する機能です。など、このホワイト ペーパーの代表的な結果を生成するサンプルに - V の測定を行った。ここでは、各時点で 160 ステップ電圧の正弦波の瞬時電流測定を行いました。各電圧ステップ 2 ・電気計測の静的な滞留時間が作った 230 プログラマブル電圧ソースと 617 プログラム可能電位計を使用しています。これらのデバイスは、電圧と高解像度で計測を調達することができるように選ばれました。点灯していない部屋の室温で実験を行った。
フロントダイナミクスmemristors にテストから作成される典型的な V 曲線を図 6に示します。図 6 cと6 dは、ペトリ皿に実装されたコンポーネントから代表的な測定値とプロットを表示します。このメソッドを使用して、結果を表示、同じサンプルでの測定のカーブが類似した形態、ヒステリシスによって異なります大きくサンプルのサンプル。このような変化には、ピンチ ポイントの正と負の両方の葉の大きさと単位の正と負の電圧ドメイン間の対称性の場所が含まれています。したがって、- V 曲線 memristors シャーレ法を用いた測定はピンチ ポイントがゼロ電圧と電流ではないために、'理想的な memristor のフット プリントではありません。図 6aおよび6b memristors 容器で栽培から代表的な測定値とグラフを表示します。ピンチ ポイント場所とこれらのヒステリシス ループの葉サイズは、様々 な電圧範囲と、時間ステップの下でテスト離散サンプル曲線と曲線のサンプル-サンプルの両方比較的一致しています。したがって、レセプタクル - V 曲線がより '理想的な memristor のフット プリント、ピンチ ポイント常に特異だったのと一貫してほぼゼロ電圧を彷彿とさせる、現在。しかし、ヒステリシス形態が類似したサンプル、サンプル間の全体的な抵抗性の差異があった。.
各サンプルのテストが行われた初期 V 測定が完了した後メムリスティブ曲線がつかめないまで一日一回。4 コントロールのサンプルの残り 2 ピンチの曲線をさらに 2 日間の記録を続けながら 2 を初期のテストの 2 日間内で乾燥させます。容器サンプル 3 サンプルを上回ると、少なくとも 7 日間の memristance を維持しました。時間をかけて、レセプタクル サンプルの原形質流動管のそれぞれはだんだんと全体的な抵抗の減少があった、x 10-04 A で測定するいくつかのサンプルを A に対してを実行の前のテストで 10-05 x 10 V の範囲。
読者記事 Braund14提示レセプタクルの広範なテストの結果によって参照されます。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
図 1:フロントダイナミクスのマラリア原虫の 2 日古い文化の写真。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
図 2:レセプタクル STL ファイルそれがスライスのソフトウェアに読み込まれた後のスクリーン ショットです。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
図 3: スライスのソフトウェアにロードされた後の電極の STL ファイルのスクリーン ショットします。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
図 4: 電極 STL モデルを印刷するための設定の構成のスクリーン ショット。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
図 5:フロントダイナミクスmemristors ペトリ皿 (左) で実装され、について述べる (右) メソッドを使ってを写した 2 枚。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
図 6:(A、b) の容器の成長 2 つの memristors とペトリ皿 (c、d) で実装されている 2 つから生成された 4 つの-V グラフ。<a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
図 7:様々 な距離でチューブを成長に使用されているコンセントを示す写真。
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> />図 8: チャンバーから切断されている原形質のチューブを示す写真。

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A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

粘菌からバイオ memristors を成長する方法

粘菌変形体のマラリア原虫からバイオ memristors を成長法の改良について述べる。このようなメソッドは、成長時間を短縮、コンポーネントの寿命を増やす、電気の観測を標準化、従来の回路に統合することができます保護された環境を作成すると証明しました。

Our research is aimed at gaining a better understanding of the electronic properties of organisms in order to engineer novel bioelectronic systems and ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.9K ビュー.  Plymouth University. 粘菌変形体のマラリア原虫からバイオ memristors を成長法の改良について述べる。このようなメソッドは、成長時間を短縮、コンポーネントの寿命を増やす、電気の観測を標準化、従来の回路に統合することができます保護された環境を作成すると証明しました。

ビデオ: A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

Design and Use of a Low Cost, Automated Morbidostat for Adaptive Evolution of Bacteria Under Antibiotic Drug Selection

We describe a low cost, configurable morbidostat for characterizing the evolutionary pathway of antibiotic resistance. The morbidostat is a bacterial culture device that continuously monitors bacterial growth and dynamically adjusts the drug concentration to constantly challenge the bacteria as they evolve to acquire drug resistance. The device features a working volume of ~10 ml and is fully automated and equipped with optical density measurement and micro-pumps for medium and drug delivery. To validate the platform, we measured the stepwise acquisition of trimethoprim resistance in Escherichia coli MG 1655, and integrated the device with a multiplexed microfluidic platform to investigate cell morphology and antibiotic susceptibility. The approach can be up-scaled to laboratory studies of antibiotic drug resistance, and is extendible to adaptive evolution for strain improvements in metabolic engineering and other bacterial culture experiments.

We describe a low cost, configurable morbidostat that enables the characterization of antibiotic drug resistance by dynamically adjusting the drug concentration. The device can be integrated with a multiplexed microfluidic platform. The approach can be scaled up for laboratory antibiotic drug resistance studies.

設計と低コストの使用、自動Morbidostat細菌の適応進化のための抗生物質選択下

We describe a low cost, configurable morbidostat for characterizing the evolutionary pathway of antibiotic resistance. The morbidostat is a bacterial ...

遺伝学

Chemotactic Response of Marine Micro-Organisms to Micro-Scale Nutrient Layers

The degree to which planktonic microbes can exploit microscale resource patches will have considerable implications for oceanic trophodynamics and biogeochemical flux. However, to take advantage of nutrient patches in the ocean, swimming microbes must overcome the influences of physical forces including molecular diffusion and turbulent shear, which will limit the availability of patches and the ability of bacteria to locate them. Until recently, methodological limitations have precluded direct examinations of microbial behaviour within patchy habitats and realistic small-scale flow conditions. Hence, much of our current knowledge regarding microbial behaviour in the ocean has been procured from theoretical predictions. To obtain new information on microbial foraging behaviour in the ocean we have applied soft lithographic fabrication techniques to develop 2 microfluidic devices, which we have used to create (i) microscale nutrient patches with dimensions and diffusive characteristics relevant to oceanic processes and (ii) microscale vortices, with shear rates corresponding to those expected in the ocean. These microfluidic devices have permitted a first direct examination of microbial swimming and chemotactic behaviour within a heterogeneous and dynamic seascape. The combined use of epifluorescence and phase contrast microscopy allow direct examinations of the physical dimensions and diffusive characteristics of nutrient patches, while observing the population-level aggregative response, in addition to the swimming behaviour of individual microbes. These experiments have revealed that some species of phytoplankton, heterotrophic bacteria and phagotrophic protists are adept at locating and exploiting diffusing microscale resource patches within very short time frames. We have also shown that up to moderate shear rates, marine bacteria are able to  fight the flow  and swim through their environment at their own accord. However, beyond a threshold high shear level, bacteria are aligned in the shear flow and are less capable of swimming without disturbance from the flow. Microfluidics represents a novel and inexpensive approach for studying aquatic microbial ecology, and due to its suitability for accurately creating realistic flow fields and substrate gradients at the microscale, is ideally applicable to examinations of microbial behaviour at the smallest scales of interaction.  We therefore suggest that microfluidics represents a valuable tool for obtaining a better understanding of the ecology of microorganisms in the ocean.

The fabrication of microfluidic channels and their implementation in experiments for studying the chemotactic foraging behaviour of marine microbes within a patchy nutrient seascape and the swimming behaviour of bacteria within shear flow are described.

マイクロスケール栄養層への海洋微生物の走化性応答

The degree to which planktonic microbes can exploit microscale resource patches will have considerable implications for oceanic trophodynamics and ...

生物学

Protocol for Biofilm Streamer Formation in a Microfluidic Device with Micro-pillars

Several bacterial species possess the ability to attach to surfaces and colonize them in the form of thin films called biofilms. Biofilms that grow in porous media are relevant to several industrial and environmental processes such as wastewater treatment and CO2 sequestration. We used Pseudomonas fluorescens, a Gram-negative aerobic bacterium, to investigate biofilm formation in a microfluidic device that mimics porous media. The microfluidic device consists of an array of micro-posts, which were fabricated using soft-lithography. Subsequently, biofilm formation in these devices with flow was investigated and we demonstrate the formation of filamentous biofilms known as streamers in our device. The detailed protocols for fabrication and assembly of microfluidic device are provided here along with the bacterial culture protocols. Detailed procedures for experimentation with the microfluidic device are also presented along with representative results.

Protocols for the study of biofilm formation in a microfluidic device that mimics porous media are discussed. The microfluidic device consists of an array of micro-pillars and biofilm formation by Pseudomonas fluorescens in this device is investigated.

マイクロピラーとマイクロ流体デバイス内のバイオフィルムストリーマ形成のためのプロトコル

Several bacterial species possess the ability to attach to surfaces and colonize them in the form of thin films called biofilms. Biofilms that grow in ...

生物工学

Design, Surface Treatment, Cellular Plating, and Culturing of Modular Neuronal Networks Composed of Functionally Inter-connected Circuits

The brain operates through the coordinated activation and the dynamic communication of neuronal assemblies. A major open question is how a vast repertoire of dynamical motifs, which underlie most diverse brain functions, can emerge out of a fixed topological and modular organization of brain circuits. Compared to in vivo studies of neuronal circuits which present intrinsic experimental difficulties, in vitro preparations offer a much larger possibility to manipulate and probe the structural, dynamical and chemical properties of experimental neuronal systems. This work describes an in vitro experimental methodology which allows growing of modular networks composed by spatially distinct, functionally interconnected neuronal assemblies. The protocol allows controlling the two-dimensional (2D) architecture of the neuronal network at different levels of topological complexity.
A desired network patterning can be achieved both on regular cover slips and substrate embedded micro electrode arrays. Micromachined structures are embossed on a silicon wafer and used to create biocompatible polymeric stencils, which incorporate the negative features of the desired network architecture. The stencils are placed on the culturing substrates during the surface coating procedure with a molecular layer for promoting cellular adhesion. After removal of the stencils, neurons are plated and they spontaneously redirected to the coated areas. By decreasing the inter-compartment distance, it is possible to obtain either isolated or interconnected neuronal circuits. To promote cell survival, cells are co-cultured with a supporting neuronal network which is located at the periphery of the culture dish. Electrophysiological and optical recordings of the activity of modular networks obtained respectively by using substrate embedded micro electrode arrays and calcium imaging are presented. While each module shows spontaneous global synchronizations, the occurrence of inter-module synchronization is regulated by the density of connection among the circuits.

This manuscript describes a protocol to grow in vitro modular networks consisting of spatially confined, functionally inter-connected neuronal circuits. A polymeric mask is used to pattern a protein layer to promote cellular adhesion over the culturing substrate. Plated neurons grow on coated areas establishing spontaneous connections and exhibiting electrophysiological activity.

デザイン、治療、セルラーめっき、機能的に相互接続された回路で構成モジュラー神経回路網の培養表面

The brain operates through the coordinated activation and the dynamic communication of neuronal assemblies. A major open question is how a vast repertoire ...

神経科学

Assembly and Characterization of Biomolecular Memristors Consisting of Ion Channel-doped Lipid Membranes

The ability to recreate synaptic functionalities in synthetic circuit elements is essential for neuromorphic computing systems that seek to emulate the cognitive powers of the brain with comparable efficiency and density. To date, silicon-based three-terminal transistors and two-terminal memristors have been widely used in neuromorphic circuits, in large part due to their ability to co-locate information processing and memory. Yet these devices cannot achieve the interconnectivity and complexity of the brain because they are power-hungry, fail to mimic key synaptic functionalities, and suffer from high noise and high switching voltages. To overcome these limitations, we have developed and characterized a biomolecular memristor that mimics the composition, structure, and switching characteristics of biological synapses. Here, we describe the process of assembling and characterizing biomolecular memristors consisting of a 5 nm-thick lipid bilayer formed between lipid-functionalized water droplets in oil and doped with voltage-activated alamethicin peptides. While similar assembly protocols have been used to investigate biophysical properties of droplet-supported lipid membranes and membrane-bound ion channels, this article focuses on key modifications of the droplet interface bilayer method essential for achieving consistent memristor performance. Specifically, we describe the liposome preparation process and the incorporation of alamethicin peptides in lipid bilayer membranes, and the appropriate concentrations of each constituent as well as their impact on the overall response of the memristors. We also detail the characterization process of biomolecular memristors, including measurement and analysis of memristive current-voltage relationships obtained via cyclic voltammetry, as well as short-term plasticity and learning in response to step-wise voltage pulse trains.

Soft, low-power, biomolecular memristors leverage similar composition, structure, and switching mechanisms of bio-synapses. Presented here is a protocol to assemble and characterize biomolecular memristors obtained from insulating lipid bilayers formed between water droplets in oil. The incorporation of voltage-activated alamethicin peptides results in memristive ionic conductance across the membrane.

アセンブリおよびイオン チャネルをドープした脂質膜から成る分子 Memristors のキャラクタリゼーション

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

Generating Controlled, Dynamic Chemical Landscapes to Study Microbial Behavior

We demonstrate a method for the generation of controlled, dynamic chemical pulses&#8213;where localized chemoattractant becomes suddenly available at the microscale&#8213;to create micro-environments for microbial chemotaxis experiments. To create chemical pulses, we developed a system to introduce amino acid sources near-instantaneously by photolysis of caged amino acids within a polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic chamber containing a bacterial suspension. We applied this method to the chemotactic bacterium, Vibrio ordalii, which can actively climb these dynamic chemical gradients while being tracked by video microscopy. Amino acids, rendered biologically inert (&#39;caged&#39;) by chemical modification with a photoremovable protecting group, are uniformly present in the suspension but not available for consumption until their sudden release, which occurs at user-defined points in time and space by means of a near-UV-A focused LED beam. The number of molecules released in the pulse can be determined by a calibration relationship between exposure time and uncaging fraction, where the absorption spectrum after photolysis is characterized by using UV-Vis spectroscopy. A nanoporous polycarbonate (PCTE) membrane can be integrated into the microfluidic device to allow the continuous removal by flow of the uncaged compounds and the spent media. A strong, irreversible bond between the PCTE membrane and the PDMS microfluidic structure is achieved by coating the membrane with a solution of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) followed by plasma activation of the surfaces to be bonded. A computer-controlled system can generate user-defined sequences of pulses at different locations and with different intensities, so as to create resource landscapes with prescribed spatial and temporal variability. In each chemical landscape, the dynamics of bacterial movement at the individual scale and their accumulation at the population level can be obtained, thereby allowing the quantification of chemotactic performance and its effects on bacterial aggregations in ecologically relevant environments.

A protocol for the generation of dynamic chemical landscapes by photolysis within microfluidic and millifluidic setups is presented. This methodology is suitable to study diverse biological processes, including the motile behavior, nutrient uptake, or adaptation to chemicals of microorganisms, both at the single cell and population level.

微生物の挙動を研究するための制御された動的化学景観の生成

We demonstrate a method for the generation of controlled, dynamic chemical pulses&#8213;where localized chemoattractant becomes suddenly available at the ...

Automation of Bio-Atomic Force Microscope Measurements on Hundreds of C. albicans Cells

The method presented in this paper aims to automate Bio-AFM experiments and the recording of force curves. Using this method, it is possible to record forces curves on 1000 cells in 4 hours automatically. To maintain a 4 hour analysis time, the number of force curves per cell is reduced to 9 or 16. The method combines a Jython based program and a strategy for assembling cells on defined patterns. The program, implemented on a commercial Bio-AFM, can center the tip on the first cell of the array and then move, automatically, from cell to cell while recording force curves on each cell. Using this methodology, it is possible to access the biophysical parameters of the cells such as their rigidity, their adhesive properties, etc. With the automation and the large number of cells analyzed, one can access the behavior of the cell population. This is a breakthrough in the Bio-AFM field where data have, so far, been recorded on only a few tens of cells.

Automation of Bio-Atomic Force Microscope Measurements on Hundreds of C. albicans Cells

This protocol aims to automate AFM measurements on hundreds of microbial cells. First, microbes are immobilized into PDMS stamp microstructures and then force spectroscopy measurements are performed automatically on hundreds of immobilized cells.

数百個の C.アルビカン 細胞に対するバイオ原子間力顕微鏡測定の自動化

The method presented in this paper aims to automate Bio-AFM experiments and the recording of force curves. Using this method, it is possible to record ...

Biomimetic Replication of Root Surface Microstructure using Alteration of Soft Lithography

Biomimetics is the use of chemistry and material sciences to mimic biological systems, specifically biological structures, to better humankind. Recently, biomimetic surfaces mimicking the microstructure of leaf surface, were used to study the effects of leaf microstructure on leaf-environment interactions. However, no such tool exists for roots. We developed a tool allowing the synthetic mimicry of the root surface microstructure into an artificial surface. We relied on the soft lithography method, known for leaf surface microstructure replication, using a two-step process. The first step is the more challenging one as it involves the biological tissue. Here, we used a different polymer and curing strategy, relying on the strong, rigid, polyurethane, cured by UV for the root molding. This allowed us to achieve a reliable negative image of the root surface microstructure including the delicate, challenging features such as root hairs. We then used this negative image as a template to achieve the root surface microstructure replication using both the well-established polydimethyl siloxane (PDMS) as well as a cellulose derivative, ethyl cellulose, which represents a closer mimic of the root and which can also be degraded by cellulase enzymes secreted by microorganisms. This newly formed platform can be used to study the microstructural effects of the surface in root-microorganism interactions in a similar manner to what has previously been shown in leaves. Additionally, the system enables us to track the microorganism&#8217;s locations, relative to surface features, and in the future its activity, in the form of cellulase secretion.

Biomimetics has been previously used as a tool to study leaf-microorganism interactions. However, no such tool exists for roots. Here, we develop a protocol to form synthetic surfaces mimicking root surface microstructure for the study of root-environment interactions.

軟リソグラフィの改変を用いた根表面微細構造の生物模倣複製

Biomimetics is the use of chemistry and material sciences to mimic biological systems, specifically biological structures, to better humankind. Recently, ...

Using Microfluidic Devices to Measure Lifespan and Cellular Phenotypes in Single Budding Yeast Cells

Budding yeast Saccharomyces cerevisiae is an important model organism in aging research. Genetic studies have revealed many genes with conserved effects on the lifespan across species. However, the molecular causes of aging and death remain elusive. To gain a systematic understanding of the molecular mechanisms underlying yeast aging, we need high-throughput methods to measure lifespan and to quantify various cellular and molecular phenotypes in single cells. Previously, we developed microfluidic devices to track budding yeast mother cells throughout their lifespan while flushing away newborn daughter cells. This article presents a method for preparing microfluidic chips and for setting up microfluidic experiments. Multiple channels can be used to simultaneously track cells under different conditions or from different yeast strains. A typical setup can track hundreds of cells per channel and allow for high-resolution microscope imaging throughout the lifespan of the cells. Our method also allows detailed characterization of the lifespan, molecular markers, cell morphology, and the cell cycle dynamics of single cells. In addition, our microfluidic device is able to trap a significant amount of fresh mother cells that can be identified by downstream image analysis, making it possible to measure the lifespan with higher accuracy.

This article presents a protocol optimized for the production of microfluidic chips and the setup of microfluidic experiments to measure the lifespan and cellular phenotypes of single yeast cells.

シングル出芽酵母細胞での寿命と細胞表現型を測定するためのマイクロ流体デバイスを使用しました

Budding yeast Saccharomyces cerevisiae is an important model organism in aging research. Genetic studies have revealed many genes with conserved effects ...

マイクロスケール神経細胞培養デバイスへの3Dプリンティングの応用

Two-Photon Polymerization 3D-Printing of Micro-scale Neuronal Cell Culture Devices

Neuronal cultures have been a reference experimental model for several decades. However, 3D cell arrangement, spatial constraints on neurite outgrowth, and realistic synaptic connectivity are missing. The latter limits the study of structure and function in the context of compartmentalization and diminishes the significance of cultures in neuroscience. Approximating ex vivo the structured anatomical arrangement of synaptic connectivity is not trivial, despite being key for the emergence of rhythms, synaptic plasticity, and ultimately, brain pathophysiology. Here, two-photon polymerization (2PP) is employed as a 3D printing technique, enabling the rapid fabrication of polymeric cell culture devices using polydimethyl-siloxane (PDMS) at the micrometer scale. Compared to conventional replica molding techniques based on microphotolitography, 2PP micro-scale printing enables rapid and affordable turnaround of prototypes. This protocol illustrates the design and fabrication of PDMS-based microfluidic devices aimed at culturing modular neuronal networks. As a proof-of-principle, a two-chamber device is presented to physically constrain connectivity. Specifically, an asymmetric axonal outgrowth during ex vivo development is favored and allowed to be directed from one chamber to the other. In order to probe the functional consequences of unidirectional synaptic interactions, commercial microelectrode arrays are chosen to monitor the bioelectrical activity of interconnected neuronal modules. Here, methods to 1) fabricate molds with micrometer precision and 2) perform in vitro multisite extracellular recordings in rat cortical neuronal cultures are illustrated. By decreasing costs and future widespread accessibility of 2PP 3D-printing, this method will become more and more relevant across research labs worldwide. Especially in neurotechnology and high-throughput neural data recording, the ease and rapidity of prototyping simplified in vitro models will improve experimental control and theoretical understanding of in vivo large-scale neural systems.

著者スポットライト:脳機能解析のためのモジュール式ニューロンネットワーク

3D printing at the micrometer scale enables rapid prototyping of polymeric devices for neuronal cell cultures. As a proof-of-principle, structural connections between neurons were constrained by creating barriers and channels influencing neurite outgrowth, while the functional consequences of such manipulation were observed by extracellular electrophysiology.

2光子重合によるマイクロスケール神経細胞培養装置の3Dプリンティング

Neuronal cultures have been a reference experimental model for several decades. However, 3D cell arrangement, spatial constraints on neurite outgrowth, ...

粘菌からバイオ memristors を成長する方法

要約

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設計と低コストの使用、自動Morbidostat細菌の適応進化のための抗生物質選択下

マイクロスケール栄養層への海洋微生物の走化性応答

マイクロピラーとマイクロ流体デバイス内のバイオフィルムストリーマ形成のためのプロトコル

デザイン、治療、セルラーめっき、機能的に相互接続された回路で構成モジュラー神経回路網の培養表面

アセンブリおよびイオンチャネルをドープした脂質膜から成る分子 Memristors のキャラクタリゼーション

微生物の挙動を研究するための制御された動的化学景観の生成

数百個の C.アルビカン細胞に対するバイオ原子間力顕微鏡測定の自動化

軟リソグラフィの改変を用いた根表面微細構造の生物模倣複製

シングル出芽酵母細胞での寿命と細胞表現型を測定するためのマイクロ流体デバイスを使用しました

2光子重合によるマイクロスケール神経細胞培養装置の3Dプリンティング

粘菌からバイオ memristors を成長する方法

要約

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設計と低コストの使用、自動Morbidostat細菌の適応進化のための抗生物質選択下

マイクロスケール栄養層への海洋微生物の走化性応答

マイクロピラーとマイクロ流体デバイス内のバイオフィルムストリーマ形成のためのプロトコル

デザイン、治療、セルラーめっき、機能的に相互接続された回路で構成モジュラー神経回路網の培養表面

アセンブリおよびイオン チャネルをドープした脂質膜から成る分子 Memristors のキャラクタリゼーション

微生物の挙動を研究するための制御された動的化学景観の生成

数百個の C.アルビカン 細胞に対するバイオ原子間力顕微鏡測定の自動化

軟リソグラフィの改変を用いた根表面微細構造の生物模倣複製

シングル出芽酵母細胞での寿命と細胞表現型を測定するためのマイクロ流体デバイスを使用しました

2光子重合によるマイクロスケール神経細胞培養装置の3Dプリンティング

アセンブリおよびイオンチャネルをドープした脂質膜から成る分子 Memristors のキャラクタリゼーション

数百個の C.アルビカン細胞に対するバイオ原子間力顕微鏡測定の自動化