Μια άγνωστη πηγή ενέργειας φαίνεται να κρύβεται γύρω από τα ανθρώπινα κύτταρα

Τα ανθρώπινα κύτταρα μπορεί κυριολεκτικά να δονούνται από ηλεκτρισμό, λειτουργώντας ως μια κρυφή πηγή ισχύος που θα μπορούσε να βοηθήσει στη μεταφορά υλικών ή ακόμη και να παίξει ρόλο στην επικοινωνία του σώματός μας.

Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Χιούστον και το Πανεπιστημίου Ράτγκερς του Νιού Τζέρσι υποστηρίζουν ότι μικροί κυματισμοί στις λιπώδεις μεμβράνες που περιβάλλουν τα κύτταρά μας θα μπορούσαν να παράγουν αρκετή τάση ώστε να χρησιμεύσουν ως άμεση πηγή ενέργειας για ορισμένες βιολογικές διεργασίες.

Οι ίδιες οι διακυμάνσεις έχουν ήδη μελετηθεί εκτενώς και είναι γνωστό ότι καθοδηγούνται από τη δραστηριότητα των ενσωματωμένων πρωτεϊνών και τη διάσπαση της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP), του κύριου μέσου μεταφοράς ενέργειας μέσω των κυττάρων.

Η νέα μελέτη παρέχει θεωρητική υποστήριξη στην πιθανότητα ότι αυτοί οι κραδασμοί της μεμβράνης είναι αρκετά ισχυροί και αρκετά δομημένοι ώστε να δημιουργούν ένα ηλεκτρικό φορτίο που τα κύτταρα μπορούν να χρησιμοποιήσουν για ορισμένες σημαντικές εργασίες.

«Τα κύτταρα δεν είναι παθητικά συστήματα – καθοδηγούνται από εσωτερικές ενεργές διεργασίες, όπως η πρωτεϊνική δραστηριότητα και η κατανάλωση ATP», γράφουν οι ερευνητές στη δημοσιευμένη εργασία τους.

«Δείχνουμε ότι αυτές οι ενεργές διακυμάνσεις, όταν συνδυάζονται με την καθολική ηλεκτρομηχανική ιδιότητα του καμπτοηλεκτρισμού (flexoelectricity), μπορούν να δημιουργήσουν διαμεμβρανικές τάσεις και ακόμη και να προκαλέσουν μεταφορά ιόντων».

Κλειδί για την κατανόηση του νέου μοντέλου είναι η έννοια του καμπτοηλεκτρισμού, η οποία περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να παραχθεί ηλεκτρική πόλωση (ή τάση) λόγω της ανομοιόμορφης παραμόρφωσης σε ένα υλικό.

Οι μεμβράνες κάμπτονται συνεχώς ως αποτέλεσμα της θερμότητας που διακυμαίνεται τυχαία μέσα στο κύτταρο. Θεωρητικά, οποιαδήποτε τάση παράγεται με αυτόν τον τρόπο θα έπρεπε να εξουδετερώνεται σε περιβάλλοντα υπό ισορροπία, καθιστώντας τα άχρηστα ως πηγές ενέργειας.

Οι ερευνητές σκέφτηκαν ότι τα κύτταρα δεν βρίσκονται σε αυστηρή ισορροπία, καθώς η δραστηριότητα στο εσωτερικό του κυττάρου «αναδεύεται» συνεχώς για να μας κρατήσει ζωντανούς. Το αν αυτό θα ήταν αρκετό για να μετατρέψει μια λιπιδική μεμβράνη σε «κινητήρα», απαιτούσε μερικούς λεπτομερείς υπολογισμούς.

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς των ερευνητών, ο καμπτοηλεκτρισμός θα μπορούσε να δημιουργήσει μια ηλεκτρική διαφορά μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού του κυττάρου: έως και 90 μιλιβόλτ, φορτίο που επαρκεί για να πυροδοτήσει έναν νευρώνα.

Η παραγόμενη τάση θα μπορούσε να βοηθήσει στην κίνηση των ιόντων, των φορτισμένων ατόμων που ελέγχονται από τη ροή του ηλεκτρισμού και των χημικών ουσιών.

Οι διακυμάνσεις της μεμβράνης μπορεί να είναι αρκετές για να επηρεάσουν βιολογικές λειτουργίες όπως η μυϊκή κίνηση και τα αισθητηριακά σήματα. Η ομάδα εκτίμησε ότι τα φορτία εμφανίζονται σε κλίμακα χιλιοστών του δευτερολέπτου, κάτι που ταιριάζει με τον χρονισμό των σημάτων που διαδίδονται μέσω των νευρικών κυττάρων.

«Τα αποτελέσματά μας αποκαλύπτουν ότι η δραστηριότητα μπορεί να ενισχύσει σημαντικά τη διαμεμβρανική τάση και την πόλωση, υποδηλώνοντας έναν φυσικό μηχανισμό για τη συλλογή ενέργειας και την κατευθυνόμενη μεταφορά ιόντων σε ζωντανά κύτταρα», γράφουν οι ερευνητές.

Τα ευρήματα θα μπορούσαν επίσης να επεκταθούν σε ομάδες κυττάρων, βοηθώντας στην εξήγηση του πώς οι κυτταρικές μεμβράνες μπορούν να συντονιστούν για τη δημιουργία αποτελεσμάτων και ιστών μεγαλύτερης κλίμακας. Μελλοντικές μελέτες μπορούν πλέον να ελέγξουν αν όλα αυτά λειτουργούν όπως αναμένεται μέσα στο σώμα.

Αυτά τα ευρήματα θα μπορούσαν να έχουν επιπτώσεις πέρα από τους ζωντανούς ιστούς: οι ερευνητές ρίχνουν την ιδέα της χρήσης αυτών των ίδιων τεχνικών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για να εμπνεύσουν το σχεδιασμό δικτύων τεχνητής νοημοσύνης και συνθετικών υλικών βασισμένων στη φύση.

«Η διερεύνηση της ηλεκτρομηχανικής δυναμικής στα δίκτυα νευρώνων μπορεί να γεφυρώσει τον μοριακό καμπτοηλεκτρισμό με την πολύπλοκη επεξεργασία πληροφοριών, με επιπτώσεις τόσο στην κατανόηση της εγκεφαλικής λειτουργίας όσο και στην ανακάλυψη βιο-εμπνευσμένων υλικών υπολογιστικής σχεδίασης, γράφουν οι ερευνητές.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό PNAS Nexus.

Πηγή: Science Alert