У клітинах людини знайшли приховане джерело енергії — і його вистачає, щоб запускати нейрони

Наші клі­ти­ни ніко­ли не бува­ють «тихи­ми». Вони постій­но руха­ю­ться, коли­ва­ю­ться, дефор­му­ю­ться і вза­є­мо­ді­ють із сере­до­ви­щем. Довгий час вва­жа­ло­ся, що голов­ним дже­ре­лом енер­гії для всіх цих про­це­сів є АТФ — моле­ку­ла, яку клі­ти­ни отри­му­ють під час клі­тин­но­го диха­н­ня. Але нове дослі­дже­н­ня пока­зує: цього спи­ску може бути зама­ло. Виявляється, самі клі­тин­ні мем­бра­ни зда­тні виро­бля­ти еле­ктри­чну енер­гію — і в кіль­ко­стях, доста­тніх для робо­ти нейронів.

Енергія, захована в русі

Дослідження, опу­блі­ко­ва­не в жур­на­лі PNAS Nexus, про­ве­ли нау­ков­ці з Університету Х’юстона та Ратгерського уні­вер­си­те­ту. Вони звер­ну­ли увагу на явище, яке добре відо­ме фізи­кам, але майже не засто­со­ву­ва­ло­ся до живих систем, — флексоелектричність.

Суть явища про­ста: коли мате­рі­ал на нано-рівні зги­на­є­ться або дефор­му­є­ться, в ньому вини­кає слаб­кий еле­ктри­чний сигнал. У нежи­вих систе­мах це вже давно вико­ри­сто­ву­ють у сен­со­рах, мікро­при­стро­ях і навіть робо­то­те­хні­ці. Але вчені поста­ви­ли запи­та­н­ня: а що, якщо живі клі­ти­ни роблять те саме?

Клітинні мем­бра­ни постій­но коли­ва­ю­ться через рух моле­кул, робо­ту біл­ків і гідро­ліз АТФ. І саме ці коли­ва­н­ня, як з’ясувалося, можуть бути дже­ре­лом електрики.

Скільки енергії виробляє клітина

Розрахунки й екс­пе­ри­мен­ти пока­за­ли неспо­ді­ва­ний резуль­тат. Флуктуації мем­бран можуть ство­рю­ва­ти напру­гу при­бли­зно у 90 мілі­воль­тів. Для порів­ня­н­ня: цього ціл­ком доста­тньо, щоб запу­сти­ти нер­во­вий імпульс у нейроні.

Це озна­чає, що клі­ти­на потен­цій­но здатна:

• під­три­му­ва­ти транс­порт іонів крізь мембрану
• поси­лю­ва­ти еле­ктри­чні сигна­ли без дода­тко­вих витрат АТФ
• вико­ри­сто­ву­ва­ти меха­ні­чну енер­гію як дода­тко­ве «пали­во»

Ключовий момент у тому, що клі­тин­на мем­бра­на пере­бу­ває не в стані рів­но­ва­ги. Вона постій­но «збу­ре­на» робо­тою біл­ків і вну­трі­шні­ми про­це­са­ми. Саме це дозво­ляє еле­ктри­чним сигна­лам не згасати.

Від клітин до мозку і комп’ютерів

Керівник дослі­дже­н­ня Прадип Шарма деся­ти­лі­т­тя­ми вивчає фле­ксо­еле­ктри­чність у шту­чних систе­мах — від меди­чних при­стро­їв до авто­ном­них сен­со­рів. Але живі клі­ти­ни вияви­ли­ся іде­аль­ним сере­до­ви­щем для цього ефекту.

Науковці вва­жа­ють, що від­кри­т­тя може допо­мог­ти краще зро­зу­мі­ти робо­ту мозку. Якщо ней­ро­ни час­тко­во вико­ри­сто­ву­ють фле­ксо­еле­ктри­чність, це змі­нює уяв­ле­н­ня про те, як вини­ка­ють і під­три­му­ю­ться нер­во­ві сигнали.

Крім того, це від­кри­ває шлях до:

• біо­ін­спі­ро­ва­них обчи­слю­валь­них систем
• ней­ро­мор­фних комп’ютерів
• мате­рі­а­лів, які поєд­ну­ють меха­ні­ку й еле­ктри­ку так само, як живі клітини

Життя вияв­ля­є­ться ще вина­хі­дли­ві­шим, ніж ми дума­ли. Клітини не лише спа­лю­ють хімі­чне пали­во, а й вмі­ють добу­ва­ти енер­гію з вла­сно­го руху. Флексоелектричність може бути тим при­хо­ва­ним меха­ні­змом, який мільяр­ди років допо­ма­гав клі­ти­нам пра­цю­ва­ти ефективніше.

Це від­кри­т­тя не про­сто додає нову деталь до під­ру­чни­ків біо­ло­гії. Воно пока­зує, що межа між фізи­кою й жит­тям наба­га­то тонша, ніж зда­ва­ло­ся — і саме там можуть наро­джу­ва­ти­ся техно­ло­гії майбутнього.