Флексоэлектричество — вот скрытый язык тела: почему клетки общаются с помощью изгибов

Живые клетки могут быть куда активнее, чем принято думать: их мембраны способны не просто колебаться, а создавать измеримое электричество. Новая работа американских исследователей предполагает, что эти микродвижения могут превращаться в источник энергии, который помогает переносить ионы и, возможно, участвует в передаче сигналов в организме. По расчётам учёных, потенциал, возникающий на мембране, может быть сопоставим с напряжением, необходимым для запуска нейрона. Результаты опубликованы в журнале PNAS Nexus.

Как мембрана превращается в "электрический генератор"

Команда из Университета Хьюстона и Ратгерского университета обратила внимание на липидную мембрану — тончайшую жировую оболочку, окружающую каждую клетку. На её поверхности постоянно возникают небольшие складки и изгибы. Раньше такие движения изучали в основном как побочный эффект клеточной активности: белки в мембране работают, АТФ расщепляется, внутри клетки идут процессы, создающие механические колебания.

Теперь же исследователи предложили более смелую интерпретацию: колебания могут быть достаточно организованными, чтобы запускать электрический эффект и превращать мембрану в небольшой "двигатель", который производит напряжение и способен подпитывать отдельные биологические процессы.

"Клетки — это не пассивные системы, они движутся благодаря внутренним активным процессам, таким как активность белков и потребление АТФ", — пишут исследователи.

Что такое флексоэлектричество и почему оно важно

В основе новой модели лежит явление флексоэлектричества. Это универсальное свойство материалов: когда структура изгибается или деформируется, между разными участками может возникать электрическая разность потенциалов. Проще говоря, изгиб способен превращаться в напряжение.

Клеточные мембраны постоянно изгибаются из-за температурных колебаний и движения молекул. В классическом представлении такая "случайная тряска" должна взаимно компенсировать электрические эффекты — если система находится в равновесии. Однако авторы работы исходят из другого принципа: клетка живёт не в равновесии, а в постоянном активном режиме, и именно это может усилить и направить появляющиеся заряды.

Насколько сильным может быть напряжение

По теоретическим расчётам исследовательской группы, мембранные флуктуации способны создавать разницу потенциалов между внутренней и внешней сторонами клетки до 90 милливольт. Это серьёзный показатель: примерно такой масштаб напряжений встречается в нервной системе и может быть достаточным, чтобы активировать нейрон.

Учёные считают, что появляющееся напряжение может влиять на движение ионов заряженных частиц, от которых зависят мышечные сокращения, сенсорные сигналы и работа нервных клеток. Особенно важно, что заряды возникают очень быстро: в миллисекундном диапазоне, то есть примерно в том же временном масштабе, в котором распространяются нервные импульсы.

"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.

Что это может дать биологии и технологиям

Авторы предполагают, что механизм может работать не только в отдельных клетках. Если мембраны множества клеток способны координироваться, это может объяснить, как ткани создают более крупные электрические эффекты и поддерживают согласованную работу органов. Следующий шаг — экспериментально проверить модель внутри живого организма и выяснить, действительно ли мембранные изгибы используются как источник энергии в реальных условиях.

Интересно, что идея может выйти далеко за пределы биологии. Исследователи считают, что похожие принципы можно использовать в синтетических материалах и даже при разработке новых архитектур для вычислительных систем, вдохновлённых природой. В частности, изучение электромеханики нейронных сетей может дать подсказки и для понимания мозга, и для создания материалов, которые не просто проводят сигнал, а "работают" на основе встроенной физики.