Нанодвиженията на молекулно ниво носят голям потенциал, показва математически модел, създаден от американски изследователи
И собствените ни клетки могат да станат източник за производство на електричество. Е, не толкова, колкото да стоплим стая или да сготвим, но достатъчно, за да захранят процеси в тялото, когато е нужно. Постоянните малки огъвания и вълни в клетъчните мембрани биха могли да произведат електрическо напрежение, което е достатъчно силно, за да има значение за биологията, смятат Пратик Кандагале и Прадийп Шарма от Университета на Хюстън в Тексас и колегата им Липинг Лиу от Университета “Рютгерс” в Ню Джърси. Тримата развиват своята теория в декемврийския брой на PNAS Nexus – изданието на Американската академия на науките.
Проучването им е вдъхновено от факта, че клетъчните мембрани на живия организъм не стоят неподвижно.
Те се местят и огъват, докато изпълняват своите функции.
“Живите клетки постоянно имат мембранни огъвания с наноразмери заради движението и активността на молекулите. Могат ли тези колебания да произвеждат електричество? На пръв поглед отговорът изглежда – не: класическата термодинамика изключва извличането на чиста енергия от равновесния топлинен шум”, пишат учените. Те напомнят, че произволното движение, задвижвано само от топлина, не може да се използва за извършване на работа. Така поне повелява Вторият закон на термодинамиката във физиката – системите в равновесие могат да трептят безкрайно, но не могат да извършват полезна работа. Всяко напрежение, създадено за кратко от термично разклатена мембрана, изчезва толкова бързо, колкото се е образувало – също като статичното електричество, което никога не се превръща в сигнал. Това обяснява защо електрическите ефекти от термични колебания при движението на клетката се неутрализират веднага щом се зародят.
Живите клетки обаче не са пасивни системи,
напомнят учените. Градивните частици на организмите се задвижват от вътрешни активни процеси като протеинова активност и консумация на аденозин трифосфат. Това е ключово органично съединение, което служи като универсален енергиен актив в клетките, защото съхранява и пренася енергията, нужна за основните жизнени процеси като мускулни съкращения, нервни импулси, синтез на протеини и клетъчни сигнализации. Така учените стигат до извода, че когато движението има посока и постоянство, това може да преодолее ограниченията на Втория закон на термодинамиката и не пречи за извършването на работа.
Учените наричат това флексоелектричество – когато определени материали се огъват, електрическите заряди в тях се изместват и създават напрежение. Терминът не е нов. Инженерите използват флексоелектричеството в синтетични материали от години. Биофизиците също знаят, че клетъчните мембрани притежават това свойство. Досега обаче не беше ясно дали огъването на мембраната в реални живи клетки може да генерира полезен електрически сигнал.
За да намерят отговор на въпроса, американските изследователи създават математическа рамка, чрез която моделират мембраните като активни системи, които постоянно са задействани от движението на протеините и разграждането на аденозин трифосфата. Така чрез поредица от стотици сложни формули стигат до извода, че активното огъване на клетъчните мембранни не само създава мимолетни електрически импулси, но може и да ги усилва.
“Ние показваме, че активните огъвания, съчетани с универсалното електромеханично свойство на флексоелектричеството, могат да генерират трансмембранни напрежения и дори да задвижат йонния транспорт. Нашата теоретична рамка разкрива как живите мембрани могат да събират механична енергия за извършване на електрическа работа. Това открива нова възможност за разбиране на сетивните процеси и невронното задвижване, както и за по-широкия потенциал между механиката и биоелектричеството”, пишат изследователите.
Техните пресмятания доказват, че флексоелектрическите ефекти в активните мембрани могат да генерират
разлики в напрежението до 90 миливолта
Това обаче не е достатъчно за потенциалната ефективност на процеса. Времето, в рамките на което се случва процесът, също е от значение.
Невроните комуникират в рамките на милисекунди. Затова всеки алтернативен механизъм за генериране на биоелектрични сигнали трябва да съответства на това темпо. Тъкмо това постигат учените с новата математическа рамка, която създават. Те откриват, че промените в напрежението, предизвикани от гъвкавите движения на мембраната, могат да се покачват за милисекунди – факт, който вече е познат на невроучените.
Моделът на американските изследователи отива дори по-далеч от генерирането на напрежение. Той предлага механизъм за активен йонен транспорт.
Защо това е важно? Отговорът е прост – за да се спести енергията, изразходвана от клетките.
Флексоелектричеството не е нещо ново. Нов е обаче начинът, по който учените мислят за клетките – не като за химически фабрики, а като за активни физически системи.
Ползите от това могат да бъдат огромни. Една от тях е създаването на нови материали, които да подпомогнат генерирането на електричество от малки движения. Това миниелектричество може да се използва за захранването на миниатюрни устройства, нужни за лечение, изследване или продължително наблюдение на тялото отвътре. Координираната мембранна активност в по-голям брой клетки може да създаде по-мащабни електрически модели.
Всичко това звучи вдъхновяващо. “Разработката предлага ново физическо обяснение как движението и огъването на живите клетки могат да събират енергия, да преместват йони и дори да предизвикват невронна активност, без да се използва обичайният молекулярен механизъм”, смята Тиби Пюйу от платформата за наука ZME Science. Но нека не забравяме, казва той, че засега разработката е само теоретична. “Ще са нужни други експерименти, за да се провери дали мембраните в реалността се държат според прогнозите на математическия модел”, коментира Пюйу.
