Bunky môžu generovať vlastné elektrické signály prostredníctvom mikroskopických pohybov membrány. Vedci dokázali, že aktívne molekulárne procesy môžu vytvárať napäťové špičky podobné tým, ktoré používajú neuróny. Tieto signály by mohli pomáhať riadiť transport iónov a vysvetľovať kľúčové biologické funkcie.
Schéma aktívnej bunkovej membrány. V typickom aktívnom biologickom procese aktívne proteíny (zobrazené rôznymi farbami) v bunkovej membráne interagujú s rôznymi biologickými zložkami, ako sú molekuly ATP. Tieto interakcie aktívnych proteínov generujú aktívnu šumovú silu v bunkovej membráne, ktorá mechanicky ovplyvňuje posun bunkovej membrány mimo roviny. V dôsledku flexoelektrickej väzby bunkovej membrány indukujú zmeny v posune mimo roviny zmeny v transmembránovom napätí bunkovej membrány, čo vedie k získavaniu energie, aktívnemu transportu iónov a ku generovaniu elektrického prúdu cez bunkovú membránu. Zdroj: PNAS NEXUS
Nedávno prišli vedci s novou teóriou, ako môžu živé bunky samy generovať elektrinu. V centre tejto myšlienky je bunková membrána, tenká, pružná vrstva, ktorá obklopuje každú živú bunku a kontroluje, čo do nej vstupuje a čo z nej vychádza von. Táto membrána nie je statickou bariérou, neustále sa pohybuje a vo veľmi malom meradle mení svoj tvar. Nový rámec ukazuje, že tieto drobné pohyby môžu vyvolať skutočné elektrické signály.
Výskum viedol Pradeep Sharma a jeho kolegovia, ktorí vytvorili matematický model na preskúmanie toho, ako fyzikálne sily vnútri buniek interagujú s biologickou aktivitou. Ich práca sa zameriava na to, ako sa môže pohyb na molekulárnej úrovni premeniť na elektrické signály prostredníctvom membrány.
Molekulárna aktivita, ktorá spôsobuje pohyb membrán
Vnútri každej bunky menia proteíny neustále tvar, interagujú s inými molekulami a vykonávajú chemické reakcie. Jedným z dôležitých procesov je hydrolýza ATP, pri ktorej bunky rozkladajú adenozíntrifosfát, aby uvoľnili energiu. Tieto aktívne biologické procesy neprebiehajú ticho. Tlačia a ťahajú bunkovú membránu, čo spôsobuje jej ohýbanie, zvlnenie a kolísanie.
Pozrite si
Model ukazuje, že tieto neustále pohyby membrány môžu vyvolať jav známy ako flexoelektrina. Flexoelektrina nastáva, keď ohyb alebo deformácia materiálu vyvolá elektrickú reakciu. V tomto prípade môže ohyb bunkovej membrány vytvoriť elektrický rozdiel medzi vnútornou a vonkajšou časťou bunky.
Podľa tohto rámca môžu byť elektrické napätia vytvárané cez membránu prekvapivo silné. V niektorých prípadoch môžu dosiahnuť až 90 milivoltov. Táto úroveň je pozoruhodná, pretože je podobná zmenám napätia pozorovaným v neurónoch, keď vysielajú elektrické signály.
Načasovanie tiež zodpovedá tomu, čo sa deje v nervovom systéme. Zmeny napätia môžu nastať v priebehu milisekúnd, čo úzko súvisí s tvarom a rýchlosťou typických kriviek akčného potenciálu neurónov. To naznačuje, že rovnaké fyzikálne princípy by mohli hrať úlohu v tom, ako nervové bunky komunikujú.
Vedci predpokladajú, že tieto membránové napätia by mohli aktívne pohybovať iónmi. Ióny sú elektricky nabité atómy, ktoré bunky používajú na vysielanie signálov a udržiavanie rovnováhy. Normálne ióny prúdia pozdĺž elektrochemických gradientov, čo znamená, že sa pohybujú z oblastí s vysokou koncentráciou do oblastí s nízkou koncentráciou.
Nový model naznačuje, že aktívne kolísania membrány by mohli tlačiť ióny v opačnom smere, čím by pôsobili proti týmto gradientom. Vedci spájajú toto správanie so špecifickými vlastnosťami membrány vrátane jej pružnosti a reakcie na elektrické polia. Tieto vlastnosti pomáhajú určiť, ktorým smerom sa ióny pohybujú a ktorý typ náboja nesú.
Autori naznačujú, že tento rámec by sa mohol v budúcnosti rozšíriť aj za hranice jednotlivých buniek. Uplatnením rovnakých princípov na skupiny buniek by mohli vedci skúmať, ako vedie koordinovaná aktivita membrány k väčším elektrickým vzorom v tkanivách.
Výskumníci tvrdia, že tento mechanizmus ponúka fyzikálny základ pre pochopenie zmyslového vnímania, neurónovej aktivity a dokonca aj toho, ako môžu živé bunky interne získavať energiu. Môže tiež pomôcť prepojiť neurovedu s vývojom bioinšpirovaných a fyzikálne inteligentných materiálov, čím ponúka nové spôsoby navrhovania systémov, ktoré napodobňujú elektrické správanie živého tkaniva.
Zdroj: ScienceDaily
(RR)
