Пенсионный советник

Идеальная клетка для «Матрицы»

Американцы смоделировали «идеальную» электрическую клетку

Алексей Петров 24.09.2008, 19:58
кадр из фильма «Матрица»

Американцы создали «идеальную» электрическую клетку. Пока она существует лишь в качестве математической модели на компьютере, однако учёные обдумали и вопрос практической реализации своей рационализаторской идеи.

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.

На самом деле, электрические импульсы пронизывают тело любого живого существа ежесекундно, распространяясь по нервным тканям. Электроциты же – клетки, специально созданные природой для развития мощных кратковременных импульсов. У электрического угря электроциты упакованы в столбики, в каждом из которых количество клеток может достигать десяти тысяч, чем и объясняется большая мощность электрического удара. Такими разрядами водные хищники, такие как некоторые сомы и угри, могут глушить свою добычу, размером с человека, или отбиваться от еще более крупных охотников.

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.

Чтобы «улучшить» творение природы, необходимо сначала разобраться, как оно работает. И вот здесь и кроется основная проблема. Хотя устройство электроцитов и их «внешние» электрические и химические свойства учёным известны довольно хорошо, о работе этих клеток в динамике – что именно, когда и куда движется – представления существенно более скудные.

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.

Надо отметить, что природа – кстати, вряд ли задававшаяся целью максимизировать эффективность выработки электроэнергии – произвела на свет клетку, не так уж сильно отличающуюся от оптимальной. Идеальный искусственный электроцит, существующий пока лишь в качестве модели, способен вырабатывать всего на 40% больше электричества; правда, он превосходит реальные клетки и в продолжительности разряда.

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.