4665
Живі клітини здатні самі виробляти електричні сигнали завдяки природним рухам своїх мембран, і ці сигнали можуть бути важливими для клітинного спілкування та сприйняття навколишнього середовища.
До такого висновку дійшли вчені, які запропонували нове теоретичне пояснення походження клітинної електрики. У центрі ідеї — клітинна мембрана, тонкий і гнучкий шар, що відокремлює внутрішній простір клітини від зовнішнього. Вона постійно перебуває в русі через активні процеси всередині клітини, і, як показує модель, ці мікроскопічні деформації можуть мати цілком реальні електричні наслідки.
Дослідження очолив Прадіп Шарма разом із колегами. Команда розробила математичну модель, яка поєднує біологічні процеси з базовими законами фізики. Їхньою метою було з’ясувати, як звичайна клітинна активність може породжувати електричні сигнали без участі спеціалізованих структур, таких як нерви.
Схема активної клітинної мембрани. У типовому активному біологічному процесі активні білки (показані різними кольорами) у клітинній мембрані (показаній синім кольором) взаємодіють з різними біологічними компонентами, такими як молекули АТФ (показані білим і червоним кольорами). Ці взаємодії активних білків генерують активну силу шуму (флуктуації) всередині клітинної мембрани, механічно впливаючи на зміщення клітинної мембрани поза площиною. Через флексоелектричне зчеплення клітинної мембрани зміни зміщення поза площиною викликають зміни трансмембранної напруги клітинної мембрани, що призводить до збору енергії, активного транспорту іонів і генерації електричного струму через клітинну мембрану. Джерело: Пратік Кхандагале, Ліпін Лю та Прадіп Шарма
У живій клітині постійно змінюють форму білки, відбуваються хімічні реакції та розщеплення АТФ — основного джерела енергії. Усе це створює механічний тиск на мембрану, змушуючи її згинатися й коливатися. Згідно з моделлю, ці деформації викликають електричний ефект, відомий як флексоелектричність, коли вигин матеріалу призводить до появи електричного заряду.
Розрахунки показали, що трансмембранна напруга, яка виникає таким чином, може сягати приблизно 90 мілівольт. Це порівнювано з електричними імпульсами, які виникають у нейронах під час передавання сигналів. До того ж ці коливання відбуваються дуже швидко — за мілісекунди, що нагадує форму й тривалість потенціалів дії в нервових клітинах.
Модель також передбачає ще один несподіваний ефект. Коливання мембрани можуть активно переміщувати іони — заряджені частинки, критично важливі для клітинної сигналізації. Зазвичай іони рухаються за електрохімічним градієнтом, але активні деформації мембрани, як показує теорія, здатні штовхати їх у протилежному напрямку. Напрямок і ефективність такого транспорту залежать від еластичних і діелектричних властивостей мембрани.
На думку авторів, цей механізм може мати значення не лише для окремих клітин. Якщо подібні процеси відбуваються синхронно в багатьох клітинах, це може пояснити колективну електричну поведінку тканин. У ширшій перспективі робота дає нову фізичну основу для розуміння сенсорного сприйняття, нейронної активності та навіть зберігання енергії в біологічних системах.
Дослідники також припускають, що ці ідеї можуть надихнути інженерів на створення біоінспірованих матеріалів, які імітують електричні властивості живих клітин і поєднують біологію з фізикою та матеріалознавством.
Вчені пояснили, як клітини самі генерують електрику з’явилася спочатку на Цікавості.
