Наши клетки способны буквально пульсировать электричеством, превращаясь в миниатюрные источники энергии. Новое исследование показало, что этот внутренний заряд может участвовать в транспортировке веществ и даже играть роль в передаче сигналов внутри организма. Работа учёных из Университета Хьюстона и Ратгерского университета опубликована в журнале PNAS Nexus.
Учёные предположили, что микроскопические складки в жировых мембранах, окружающих клетки, способны вырабатывать напряжение, достаточное для питания некоторых биологических процессов. До этого было известно, что мембраны постоянно колеблются из-за активности белков и расщепления аденозинтрифосфата (АТФ) — основного источника клеточной энергии.
"Клетки — это не пассивные системы, они движутся благодаря внутренним активным процессам, таким как активность белков и потребление АТФ. Мы показываем, что эти активные флуктуации в сочетании с универсальным электромеханическим свойством флексоэлектричества могут генерировать трансмембранные напряжения и даже приводить в движение ионный транспорт", — пишут исследователи.
По словам авторов, полученные результаты дают теоретическое подтверждение тому, что сами колебания мембран достаточно сильны и структурированы, чтобы создавать электрический потенциал, который клетки могут использовать в своих целях.
Главная идея новой модели основана на явлении флексоэлектричества - способности материала генерировать электрическое напряжение при деформации. Мембраны клеток постоянно изгибаются из-за тепловых колебаний, и эти микродвижения могут вызывать заряд.
В норме подобные напряжения должны компенсироваться в состоянии равновесия, однако живые клетки никогда не бывают полностью "спокойны": их внутренняя активность поддерживает обмен веществ и жизнь организма. Учёные провели расчёты, чтобы определить, способна ли такая динамика превратить клеточную оболочку в миниатюрный двигатель.
Результаты показали, что эффект флексоэлектричества может создавать электрическую разницу потенциалов до 90 милливольт — этого достаточно, чтобы активировать нейрон. То есть клеточные мембраны, по сути, могут действовать как естественные батареи, подпитывая биохимические процессы.
Эта внутренняя "подзарядка" может влиять на движение ионов, от которых зависят работа мышц, передача нервных сигналов и другие ключевые функции. Учёные отмечают, что возникающие заряды формируются в течение миллисекунд — примерно в том же временном диапазоне, что и распространение сигналов в нейронных сетях.
"Наши результаты показывают, что активность может значительно усиливать трансмембранное напряжение и поляризацию, что предполагает наличие физического механизма сбора энергии и направленного ионного транспорта в живых клетках", — пишут исследователи.
По мнению авторов, эффект может быть универсальным и встречаться в разных типах клеток, что поможет объяснить, как ткани координируют работу на уровне микроэлектрических взаимодействий. В дальнейшем учёные планируют проверить, насколько этот механизм действительно реализуется внутри организма.
Интересно, что полученные данные могут применяться не только в биологии. Исследователи считают, что принципы клеточного электромеханизма можно использовать при создании новых материалов и вычислительных систем, вдохновлённых природой — аналогично тому, как наночастицы снижают окислительный стресс в клетках, помогая им эффективнее управлять энергией.
"Изучение электромеханической динамики в нейронных сетях может связать молекулярную флексоэлектричность и сложную обработку информации, что будет иметь значение как для понимания функций мозга, так и для разработки биоинспирированных вычислительных материалов", — отмечают авторы.
Таким образом, человеческие клетки оказались не только носителями жизни, но и потенциальными источниками энергии — природными микросистемами, способными объединять механику, химию и электричество в единый живой цикл.