Модели клеток угря указывают на перспективы биоэлектричества
Исследователи из Йельского университета и Национального института стандартов и технологий (NIST) применили современные инженерные инструменты к базовой единице жизни. Они утверждают, что можно создать искусственные клетки, которые не только повторяют электрическое поведение клеток электрического угря, но и превосходят их.
Такие искусственные электрогенерирующие клетки могут стать источником питания для медицинских имплантатов и других микроустройств.
Работа представляет собой пример системной биологии. По словам инженера NIST Дэвида ЛаВана, вопрос стоит так: «Понимаем ли мы, как клетка производит электричество, достаточно хорошо, чтобы спроектировать такую клетку — и оптимизировать этот дизайн?»
Как работают естественные клетки
Электрические угри генерируют потенциалы до 600 вольт, используя тысячи специализированных клеток — электроцитов. Механизм похож на работу нервных клеток:
- Химический сигнал открывает высокоселективные каналы в мембране.
- Ионы натрия (Na+) устремляются внутрь, а ионы калия (K+) — наружу.
- Обмен ионами повышает напряжение на мембране, что открывает ещё больше каналов.
- Процесс становится самоподдерживающимся, генерируя электрический импульс.
- После импульса каналы закрываются, и ионы возвращаются в исходное состояние.
В системе существует как минимум семь различных типов ионных каналов, каждый с набором регулируемых параметров (например, плотность в мембране). Нервные клетки, передающие информацию, срабатывают быстро, но с малой мощностью. Электроциты работают в более медленном цикле, но дают больше мощности в течение более длительного времени.
Моделирование и оптимизация
ЛаВан и его коллега Цзянь Сюй разработали комплексную численную модель преобразования ионных концентраций в электрические импульсы. Её точность проверили на опубликованных данных об электроцитах и нервных клетках.
Затем с помощью модели оптимизировали систему для максимизации выходной мощности, меняя общий набор типов каналов.
Результаты
Расчёты показали возможность существенного улучшения:
- Один дизайн искусственной клетки генерирует более чем на 40% больше энергии за один импульс, чем природный электроцит.
- Другой дизайн может выдавать пиковую мощность на 28% выше.
Перспективы применения
В принципе, слои искусственных клеток, собранные в куб со стороной чуть более 4 мм, способны производить непрерывную мощность около 300 микроватт для питания небольших имплантируемых устройств.
Отдельные компоненты таких клеток (искусственные мембраны, изолирующая перегородка, ионные каналы на основе сконструированных белков) уже были продемонстрированы другими учёными.
Как и в природном аналоге, источником энергии для клетки будет аденозинтрифосфат (ATP), синтезируемый из сахаров и жиров организма с помощью специальных бактерий или митохондрий.
Источник: J. Xu and D.A. LaVan. Designing artificial cells to harness the biological ion concentration gradient. Nature Nanotechnology, опубликовано онлайн: 21 сентября 2008.
Предоставлено: National Institute of Standards and Technology.