Mūsų ląstelės, panašu, gali tiesiogine prasme banguoti elektra – tarsi turėtų paslėptą energijos šaltinį, kuris padeda pernešti medžiagas ar net dalyvauja organizmo vidinėje komunikacijoje.
JAV mokslininkai iš Hiustono universiteto ir Rutgerso universiteto teigia, kad nedideli riebalinių ląstelių membranų virpesiai gali sukurti pakankamą įtampą, kuri tam tikrais atvejais veiktų kaip tiesioginis energijos šaltinis biologiniams procesams.
Šie membranų svyravimai jau yra plačiai ištirti ir žinoma, kad jie kyla dėl membranose įterptų baltymų veiklos ir adenozino trifosfato (ATF) – pagrindinio energijos pernešėjo ląstelėse – skaidymosi.
Naujas tyrimas teoriškai pagrindžia, kad tokie membranų plazdėjimai gali būti pakankamai stiprūs ir pakankamai organizuoti, kad sukurtų elektros krūvį, kurį ląstelės gebėtų panaudoti svarbioms funkcijoms.
„Ląstelės nėra pasyvios sistemos – jas veikia vidiniai aktyvūs procesai, tokie kaip baltymų veikla ir ATF sunaudojimas“, – rašo mokslininkai savo publikuotame darbe.
„Parodome, kad šie aktyvūs svyravimai, susiję su universalia medžiagų elektromechanine savybe – fleksoelektra, gali generuoti membranos viršįtampius ir netgi skatinti jonų pernašą per membraną.“
Norint suprasti šį naują modelį, svarbu išsiaiškinti fleksoelektros sąvoką. Ji apibūdina reiškinį, kai tarp skirtingai mechaniškai įtemptų arba išlenktų medžiagos vietų susidaro elektrinė įtampa.
Ląstelių membranos nuolat lankstosi dėl šiluminio judėjimo ir atsitiktinių šilumos svyravimų ląstelės viduje. Teoriškai, jei aplinka pusiausvyroje, taip atsiradusi įtampa turėtų tarpusavyje „išsilyginti“ ir tapti nenaudinga kaip energijos šaltinis.
Tačiau tyrėjai rėmėsi prielaida, kad gyvos ląstelės niekada nebūna griežtoje pusiausvyroje – jų viduje nuolat vyksta aktyvūs procesai, leidžiantys mums gyventi. Ar to užtenka, kad lipidinė membrana virstų savotišku mikroskopiniu varikliu, mokslininkai tikrino sudėtingais teoriniais skaičiavimais.
Remiantis atliktais skaičiavimais, fleksoelektra gali sukurti elektrinės įtampos skirtumą tarp ląstelės vidaus ir išorės iki 90 milivoltų. Toks dydis yra pakankamas, kad sužadintų neurono impulsą.
Tokiu būdu susidariusi įtampa gali padėti judėti jonams – elektra įkrautoms dalelėms, kurių pernaša griežtai valdoma tiek elektrinių, tiek cheminių signalų.
Manoma, kad membranų svyravimai gali būti pakankami daryti įtaką tokiems biologiniams procesams kaip raumenų susitraukimas ar jutiminių (sensorinių) signalų perdavimas. Komanda apskaičiavo, kad šie krūviai atsiranda milisekundžių masteliu – būtent tokiu tempu, kokiu plinta nerviniai impulsai.
„Mūsų rezultatai rodo, kad ląstelių aktyvumas gali reikšmingai sustiprinti membranos įtampą ir poliarizaciją, taip suteikdamas fizikinį mechanizmą energijos surinkimui ir kryptingai jonų pernašai gyvose ląstelėse“, – rašo tyrėjai.
Šios išvados gali būti svarbios ne tik pavienėms ląstelėms, bet ir jų sankaupoms – audiniams. Tai galėtų padėti paaiškinti, kaip ląstelių membranų elektrinės savybės koordinuojamos taip, kad sukeltų didesnio masto efektus visame audinyje. Tolimesni tyrimai galės patikrinti, ar viskas organizme vyksta taip, kaip numato teorinis modelis.
Be to, šio darbo rezultatai gali būti pritaikomi ir už gyvų audinių ribų. Mokslininkai siūlo idėją, kad tokie patys elektros generavimo principai galėtų būti panaudoti kuriant dirbtinio intelekto tinklus ir sintetines, gamtos įkvėptas medžiagas.
„Tiriant elektromechaninę dinamiką neuronų tinkluose galima sujungti molekulinės fleksoelektros reiškinius su sudėtingu informacijos apdorojimu. Tai gali padėti geriau suprasti smegenų veiklą ir kurti bioįkvėptas skaičiavimo medžiagas“, – rašo tyrėjai.
