Десять лет назад, когда на экраны вышел кинофильм «Матрица», большая часть населения Земли узнала, что «человеческое тело вырабатывает биоэлектрической энергии больше, чем аккумулятор на 120 В плюс 6,3 килокалории тепла в день». Неточности этого утверждения оставим на совести сценаристов и переводчиков, однако выбор источника энергии «разумными машинами» удивляет в любом случае.
Если бы они и впрямь были разумными и нуждались в электричестве, человеческому телу они бы наверняка предпочли электрического угря. Примитивным мозгом этой рыбы куда проще управлять, чем человеческим, и пусть тепла он вырабатывает меньше, чем любое из млекопитающих, зато его тело способно выдавать электрический разряд с напряжением до шестисот вольт.
Сотрудник Национального института стандартов и технологий США Дэвид Лэйван и его коллега Цзянь Су из Йельского университета решили разобраться, как обратить эти способности во благо. В статье, принятой к публикации в Nature Nanotechnology, они описали, как подстроить электроцит – клетку, вырабатывающую ЭДС в теле электрического угря, – под нужды современной и будущей науки и техники. Как инновация отразится на внешнем и внутреннем облике будущих кибернетических организмов, представить пока сложно, но, по мнению авторов,
уже в скором будущем «идеальными клетками» смогут воспользоваться разработчики подкожных имплантатов – например, кардиостимуляторов.
волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки. Физически представляет собой электрический разряд – быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона или мышечного волокна), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль.
Потенциалы действия могут различаться по своим параметрам в зависимости от типа клетки и даже на различных участках мембраны одной и той же клетки. Наиболее характерный пример различий: потенциал действия сердечной мышцы и потенциал действия большинства нейронов.
Тем не менее, в основе любого потенциала действия лежат следующие явления. Во-первых, мембрана живой клетки поляризована – её внутреняя поверхность заряжена отрицательно по отношению к внешней благодаря тому, что в растворе возле её внешней поверхности находится бо́льшее количество положительно заряженных частиц (катионов), а возле внутренней поверхности – бо́льшее количество отрицательно заряженных частиц (анионов). Во-вторых, мембрана обладает избирательной проницаемостью – её проницаемость для различных атомов, молекул и ионов зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств. В-третьих, мембрана возбудимой клетки способна быстро менять свою проницаемостъ для определённого вида катионов, вызывая переход положительного заряда с внешней стороны на внутреннюю.
Первые два свойства характерны для всех живых клеток. Третье же является особенностью клеток возбудимых тканей и причиной, по которой их мембраны способны генерировать и проводить потенциалы действия.
Поляризация мембраны живой клетки обусловлена отличием ионного состава с её внутренней и наружной стороны. Когда клетка находится в спокойном (невозбуждённом) состоянии, ионы по разные стороны мембраны создают относительно стабильную разность потенциалов, называемую потенциалом покоя. Если ввести внутрь живой клетки электрод и измерить мембранный потенциал покоя, он будет иметь отрицательное значение (около −70 ... −90 мВ). Это объясняется тем, что суммарный заряд на внутренней стороне мембраны существенно меньше, чем на внешней, хотя с обеих сторон содержатся и катионы, и анионы. Снаружи – на порядок больше ионов натрия, кальция и хлора, внутри – ионов калия и отрицательно заряженных белковых молекул.
Потенциал мембраны может изменяться под действием различных стимулов. Искусственным стимулом может служить электрический ток, подаваемый на внешнюю или внутреннюю сторону мембраны через электрод. В естественных условиях стимулом часто служит химический сигнал от соседних клеток, поступающий через синапс или путём диффузной передачи через межклеточную среду. Смещение мембранного потенциала может происходить в отрицательную (гиперполяризация) или положительную (деполяризация) сторону.
В нервной ткани потенциал действия как правило возникает при деполяризации – если деполяризация мембраны нейрона достигает некоторого порогового уровня или превышает его, клетка возбуждается и от ее тела к аксонам и дендритам распространяется волна электрического сигнала.
Это обусловлено тем, что на мембране клетки находятся ионные каналы – белковые молекулы, образующие в мембране поры, через которые ионы могут проходить с внутренней стороны мембраны на наружную и обратно. Большинство каналов ионоспецифично – то есть, натриевый канал пропускает практически только ионы натрия и не пропускает другие (это явление называют селективностью). Мембрана клеток возбудимых тканей (нервной и мышечной) содержит большое количество потенциал-зависимых ионных каналов – способных быстро реагировать на смещение мембранного потенциала. Деполяризация мембраны в первую очередь вызывает открытие потенциал-зависимых натриевых каналов. Когда одновременно открывается достаточно много натриевых каналов, положительно заряженные ионы натрия устремляются через них на внутреннюю сторону мембраны. Движущая сила в данном случае обеспечивается градиентом концентрации (с внешней стороны мембраны находится намного больше положительно заряженных ионов натрия, чем внутри клетки) и отрицательным зарядом внутренней стороны мембраны. Поток ионов натрия вызывает ещё большее и очень быстрое изменение мембранного потенциала, которое и называют потенциалом действия.
Согласно закону «всё-или-ничего» мембрана клетки возбудимой ткани либо не отвечает на стимул совсем, либо отвечает с максимально возможной для неё на данный момент силой. То есть, если стимул слишком слаб и порог не достигнут, потенциал действия не возникает совсем; в то же время, пороговый стимул вызовет потенциал действия такой же амплитуды, как и стимул, превышающий пороговый. Это отнюдь не означает, что амплитуда потенциала действия всегда одинакова – один и тот же участок мембраны, находясь в разных состояниях, может генерировать потенциалы действия разной амплитуды.
После возбуждения нейрон на некоторое время оказывается в состоянии абсолютной рефрактерности, когда никакие сигналы не могут его возбудить снова, затем входит в фазу относительной рефрактерности, когда его могут возбудить исключительно сильные сигналы (при этом амплитуда потенциала действия будет ниже, чем обычно). Рефрактерный период происходит из-за инактивации быстрого натриевого тока, то есть инактивации натриевых каналов.
Для применения в рукотворных электрических устройствах и наноимплантантах функциональности природного электроцита недостаточно. И дело здесь вовсе не в том, что природа где-то просчиталась. Просто энергию для биологических процессов живые организмы черпают непосредственно из реакции гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), а электричество используют только для обороны или нападения. Это определяет специфические электрофизические свойства тканей тела, ответственных за выработку импульсов тока.
Электрофизические свойства клетки описываются так называемым потенциалом действия – изменением напряжения между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны электроцита с течением времени. Изменения напряжения происходят при возбуждении клетки, а в невозбужденном состоянии оно остаётся постоянным.
Механизм поддержания постоянного потенциала на сторонах клеточной мембраны в невозбужденном состоянии опирается на работу асимметрично распределенных по мембране каналов избирательной проницаемости и ионных насосов. Внутренняя, не иннервированная мембрана пронизана многочисленными насосами калия и натрия, использующими для своей работы АТФ. В результате их работы внутренняя клеточная жидкость оказывается насыщенной ионами калия, а ионы натрия по большей части сконцентрированы в межклеточном пространстве. Кроме того, сквозь мембрану проходят каналы избирательной проводимости ионов K+ и Сl-.
Иннервированная, внешняя мембрана буквально напичкана рецепторами ацетил холина, каналами избирательной проводимости натрия и калия, управляемыми в свою очередь мембранным потенциалом, вентилями, закрывающими ток калиевых катионов, если мембрана деполяризована, а так же проточными каналами, выводящими избыточное количество калиевых ионов наружу.
Ацетил холин, вбрасываемый в межклеточное пространство, связывается с ацетилхолиновыми рецепторами мембраны, и делает её проницаемыми для ионов калия и натрия. В результате частичного проникновения катионов натрия внутрь клетки внешняя иннервированная мембрана становится локально деполяризованной, что позволяет дополнительно открыться каналам избирательной проводимости по натрию. Градиент химического потенциала ионов натрия вызывает их массированный ток через мембрану, что приводит к резкому скачку потенциала внешней мембраны, называемому потенциалом действия. Потенциал же внутренней мембраны благодаря неустанной работе АТФазных калиевых насосов и дополнительной активности хлорид-ионов остается на постоянном уровне.
После того, как потенциал действия пройдет через максимум, потенциал-зависимые каналы проводимости по натрию постепенно закрываются, и вместо них вступают в действие калиевые каналы и вентили, восстанавливающие утерянное равновесие и подготавливающие электроцит к следующему скачку напряжения.
В любой модели этих процессов присутствует уйма внутренних параметров, которые учёные пока не смогли определить. Это касается в первую очередь кинетических характеристик ионных каналов – плотностей потока и скорости частиц. Они либо вовсе не известны, либо определены весьма условно.
Лэйван и Су подошли к этой задаче с позиций теоретического моделирования.
Вместо того чтобы измерять, сколько ионов и с какой скоростью проходит через тот или иной канал в реальной клетке, они заставили компьютер вычислять «внешние» характеристики клеток, подставляя в модель их неизвестные внутренние параметры. При моделировании клетку они представляли как совокупность набора ионных насосов и потенциалзависимых проводящих наноканалов по ионам Na и K.
После этого оставалось лишь сравнить результаты моделирования с измерениями, которые уже были проведены для разных видов клеток, и подогнать внутренние параметры так, чтобы модель оказалась максимально похожа на экспериментальные данные во всех случаях.
Определив внутренние параметры и убедившись в работоспособности своей модели, ученые занялись оптимизацией электроцита.
Они вычислили, как надо изменить его внутренние характеристики для создания «идеальной» искусственной клетки для выработки электроэнергии в живом существе.
В «идеальном» электроците пришлось полностью отказаться от потенциалзависимых калиевых каналов. Их функция в нервных тканях и в природном электроците сводится к сокращению времени потенциала действия, в то время как электрические устройства наоборот требуют более продолжительного единичного электрического импульса.
Например, большое количество таких каналов в нервных клетках позволяет получить короткий и маленький по амплитуде потенциал действия, да еще и с коротким рефракторным периодом. Это обстоятельство позволяет нашему организму передавать нервные импульсы по телу с большой скоростью и малыми энергозатратами. Пришлось уменьшить и количество проточных калиевых каналов.
В природном электроците оно составляет 34 канала на квадратный метр на грамм биомассы. В искуссвтенном – 28. Калиевых вентилей вместо почти 600 на грамм на квадратный метр стало 480. Зато количество натриевых каналов проводимости в искусственном электроците возросло почти в полтора раза с 1600 до 2200.
Согласно подсчетам теоретиков, небольшое устройство размером приблизительно 5х5х5 мм сможет выдавать импульсы тока мощностью 300 мВт.
В процессе поисков «оптимального электроцита» учёные наткнулись ещё на одну интересную конфигурацию. Если увеличить количество входных натриевых каналов на мембране, поток ионов натрия внутрь искусственного электроцита превысит ток проточных каналов и калиевых вентилей. Это приводит к автоматической деполяризации мембраны и запуску потенциала действия.
Такой электроцит способен к автоколебательному режиму работы – постоянная подпитка АТФ обеспечивает строго периодические импульсы электрического тока даже без внешнего ацетилхолинового возбуждения. Правда, такой режим работы существенно более прожорлив по отношению к АТФ и малоэффективен. Сравнивать его с природным учёные даже не стали.
Может, здесь бы Лэйвану и Су и закончить работу, приготовившись к научной критике в свой адрес, однако полёт теоретической мысли трудно остановить.
Учёные предложили набор из нескольких экспериментальных методик для создания работающего прототипа «идеального электроцита».
Его можно было бы использовать в выработке биоэлектрической энергии для нужд имплантантов.
По мнению Лэйвана и Су, подпитку устройства АТФ можно обеспечить, закрепив в нём митохондрии или бактерии. Можно сделать и ещё проще – заставить синтезировать «внутриклеточное топливо» на месте ферментами АТФ-синтетазами. Они, по мысли американских учёных, будут черпать энергию из градиента концентрации протонов внутри устройства. Этот градиент, в свою очередь, будет поддерживать белок бактериородопсин, используя энергию света. В живой природе подобным образом функционируют археи.
Учёные остановились и на совсем уж технических моментах реализации своей идеи. По их мнению, каждая мембрана, входящая в устройство по выработке импульсной электроэнергии, может представлять из себя белковый бислой, нанесенный на инертную пористую подложку, – например, мембрану мезопористого кремния. Поместить в этот липидный бислой природные ионные каналы с нужной плотностью можно с помощью так называемой пузырьковой диффузии. Сами ионные каналы модно выделить в чистом виде из природной биомассы с помощью аффинной хроматографии. Можно создать и искусственные каналы с помощью подгонки размера пор в пористом оксиде кремния с дальнейшей модификацией полупроводниковым оксидом титана и функциональными органическими группами.
