Abstract The Internet of Things (IoT) provides a simple framework to easily control online devices. IoT is now a commonplace tool used by technology companies, but it is rarely used in biology experiments. IoT can benefit research through alarm notifications, automation, and the real-time monitoring of experiments. We developed and implemented an IoT architecture to control biological devices used in experiments. We developed our own electrophysiology, microscopy, and microfluidic devices so that may be controlled through a unified IoT architecture. The system allows each device to be monitored and controlled through an online web tool. We present our IoT architecture so other labs may replicate it for their own experiments.

Abstract Project-based learning (PBL) has long been recognized as an effective way to teach complex biology concepts. However, not all institutions have the resources to facilitate effective project-based coursework for students. We have developed a framework for facilitating PBL using remote-controlled internet-connected microscopes. Through this approach, one lab facility can host an experiment allowing simultaneous interaction by many students worldwide. Experiments on this platform can be run on long timescales and with materials that are typically unavailable to high school classrooms. This allows students to perform novel research projects rather than just repeat standard classroom experiments. To investigate the impact of this program, we designed and ran six user studies with students worldwide. All experiments were executed in Santa Cruz and San Francisco, California, with observations and decisions made remotely by the students using their personal computers and cellphones. In surveys gathered after the experiments’ conclusion, students reported increased excitement for science and a greater desire to pursue a career in STEM. This framework represents a novel, scalable, and effective PBL approach that has the potential to democratize biology and STEM education around the world.

ABSTRACT Organ-on-a-chip systems combine microfluidics, cell biology, and tissue engineering to culture 3D organ-specific in vitro models that recapitulate the biology and physiology of their in vivo counterparts. Here, we have developed a multiplex platform that automates the culture of individual organoids in isolated microenvironments at user-defined media flow rates. Programmable workflows allow the use of multiple reagent reservoirs that may be applied to direct differentiation, study temporal variables, and grow cultures long term. Novel techniques in polydimethylsiloxane (PDMS) chip fabrication are described here that enable features on the upper and lower planes of a single PDMS substrate. RNA sequencing (RNA-seq) analysis of automated cerebral cortex organoid cultures shows benefits in reducing glycolytic and endoplasmic reticulum stress compared to conventional in vitro cell cultures.

Abstract Objective Neural activity represents a functional readout of neurons that is increasingly important to monitor in a wide range of experiments. Extracellular recordings have emerged as a powerful technique for measuring neural activity because these methods do not lead to the destruction or degradation of the cells being measured. Current approaches to electrophysiology have a low throughput of experiments due to manual supervision and expensive equipment. This bottleneck limits broader inferences that can be achieved with numerous long-term recorded samples. Approach We developed Piphys, an inexpensive open source neurophysiological recording platform that consists of both hardware and software. It is easily accessed and controlled via a standard web interface through Internet of Things (IoT) protocols. Main Results We used a Raspberry Pi as the primary processing device and Intan bioamplifier. We designed a hardware expansion circuit board and software to enable voltage sampling and user interaction. This standalone system was validated with primary human neurons, showing reliability in collecting real-time neural activity. Significance The hardware modules and cloud software allow for remote control of neural recording experiments as well as horizontal scalability, enabling long-term observations of development, organization, and neural activity at scale.

ABSTRACT Simultaneous longitudinal imaging across multiple conditions and replicates has been crucial for scientific studies aiming to understand biological processes and disease. Yet, imaging systems capable of accomplishing these tasks are economically unattainable for most academic and teaching laboratories around the world. Here we propose the Picroscope, which is the first low cost system for simultaneous longitudinal biological imaging made primarily using off-the-shelf and 3D-printed materials. The Picroscope is compatible with standard 24-well cell culture plates and captures 3D z-stack image data. The Picroscope can be controlled remotely, allowing for automatic imaging with minimal intervention from the investigator. Here we use this system in a range of applications. We gathered longitudinal whole organism image data for frogs, zebrafish and planaria worms. We also gathered image data inside an incubator to observe 2D monolayers and 3D mammalian tissue culture models. Using this tool, we can measure the behavior of entire organisms or individual cells over long time periods.

ABSTRACT Despite many interventions, science education remains highly inequitable throughout the world. Among all life sciences fields, Bioinformatics and Computational Biology suffer from the strongest underrepresentation of racial and gender minorities. Internet-enabled project-based learning (PBL) has the potential to reach underserved communities and increase the diversity of the scientific workforce. Here, we demonstrate the use of lab-on-a-chip (LoC) technologies to train Latinx life science undergraduate students in concepts of computer programming by taking advantage of open-loop cloud-integrated LoCs. We developed a context-aware curriculum to train students at over 8,000 km from the experimental site. We showed that this approach was sufficient to develop programming skills and increase the interest of students in continuing careers in Bioinformatics. Altogether, we conclude that LoC-based Internet-enabled PBL can become a powerful tool to train Latinx students and increase the diversity in STEM.

Abstract Precision medicine tailors treatment in a way that accounts for variations in patient response. Treatment strategies can be determined based on factors such as genetic mutations, age, and diet. Another way of implementing precision medicine in a dynamic fashion is through bioelectronics equipped with real-time sensing and intelligent actuation. Bioelectronic devices such as ion pumps can be utilized to deliver therapeutic drugs. To be able to perform precision medicine, medical devices need to be able to deliver drugs with high precision. For this, closed-loop control is required to be able to change the treatment strategy as new information about the response and progression of the biological system is received. To this end, a sliding mode controller is utilized given its ability to perform satisfactory control actions when there is model uncertainty. The controller is used in an experiment with the goal of delivering a pre-determined dosage of fluoxetine throughout a period of time.

Wound healing is a complex physiological process that requires precise control and modulation of many parameters. Therapeutic ion and biomolecule delivery has the capability to regulate the wound healing process beneficially. However, achieving controlled delivery through a compact device with the ability to deliver multiple therapeutic species can be a challenge. Bioelectronic devices have emerged as a promising approach for therapeutic delivery. Here, we present a pro-reparative bioelectronic device designed to deliver ions and biomolecules for wound healing applications. The device incorporates ion pumps for the targeted delivery of H

Abstract Despite many interventions, science education remains highly inequitable throughout the world. Internet-enabled experimental learning has the potential to reach underserved communities and increase the diversity of the scientific workforce. Here, we demonstrate the use of lab-on-a-chip (LoC) technologies to expose Latinx life science undergraduate students to introductory concepts of computer programming by taking advantage of open-loop cloud-integrated LoCs. We developed a context-aware curriculum to train students at over 8000 km from the experimental site. Through this curriculum, the students completed an assignment testing bacteria contamination in water using LoCs. We showed that this approach was sufficient to reduce the students’ fear of programming and increase their interest in continuing careers with a computer science component. Altogether, we conclude that LoC-based internet-enabled learning can become a powerful tool to train Latinx students and increase the diversity in STEM.

Abstract Bioelectrical signaling, or bioelectricity, is crucial in regulating cellular behavior in biological systems. This signaling, involving ion fluxes and changes in membrane potential (V mem ), is particularly important in the growth of bacterial biofilm. Current microfluidic-based methods for studying bacterial colonies are limited in achieving spatiotemporal control over ionic fluxes due to constant flow within the system. To address this limitation, we have developed a platform that integrates biofilm colonies with bioelectronic ion pumps that enable delivery of potassium (K + ) ions, allowing for controlled manipulation of local potassium concentration. Our study examines the impact of controlled K + delivery on bacterial biofilm growth patterns and dynamics. We observed significant changes in V mem and coordination within the biofilms. Furthermore, we show that localized K + delivery is highly effective in controlling biofilm expansion in a spatially targeted manner. These findings offer insights into the mechanisms underlying bacterial signaling and growth, and suggest potential applications in bioengineering, synthetic biology, and regenerative medicine, where precise control over cellular signaling and subsequent tissue growth is required.