Ученые смогли изучить ионные токи, передающие информацию в организме

N. V. Ryzhkov et al.

Российские ученые из Университета ИТМО и МГТУ имени Н. Э. Баумана разработали методы исследования ионных токов, за счет которых в живых организмах осуществляется передача информации. В лаборатории можно проводить химические реакции, схожие с природными, и изучать поведение ионов в зависимости от условий. Исследования показали, что изменения в ионных токах можно сопоставить с работой операторов математической логики. Совмещение этих подходов позволяет моделировать возможный обмен информацией между живыми и неживыми системами. Работа поддержана Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале Frontiers in Chemistry: Rising Stars.

Создание надежных моделей передачи информации в биологических системах уже много лет остается сложной задачей. Основные усилия брошены на моделирование природных процессов с помощью компьютерных алгоритмов. Проблема этого направления состоит в том, что в живых организмах в процессе переноса участвуют ионы (заряженные частицы), а в компьютерах – электроны. В модельных системах поведение ионов интерпретируется через логические операции в математике. Например, если приложить к металлическим электродам разность потенциалов, то в растворе, в который они помещены, будет наблюдаться перемещение ионов водорода (протонов). Происходит уникальное распределение на области с их высоким и низким содержанием. Если присваивать единицу зонам с водородным показателем (pH, отражает концентрацию ионов водорода) ниже некоторого порогового значения, а остальным – ноль, то можно провести аналогию с логической операцией «И», где за входные данные (начальные условия) принимается поляризация электродов: «1» – положительная, «0» – отрицательная, а выходные данные (результаты) – значения pH. Операция «И» дает результат «1» (низкое значение pH), когда оба начальных условия равны «1», то есть поляризация обоих электродов положительная. Разные пары электродов могут соотноситься с другими типами логических операций или даже последовательности этих операций.

При нанесении на электроды некоторых полимерных соединений, которые способны присоединять и отдавать электроны, – полиэлектролитов – изменяется диффузия ионов в растворе. Ученые исследовали влияние полиэлектролитного покрытия на ток протонов, обусловленный протеканием реакции окисления (отдачи электронов). Распространение волны ионов водорода происходит согласно закону диффузии: из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией. На поверхность металлического электрода были нанесены нанометровые слои отрицательно и положительно заряженных полиэлектролитов (полианионы и поликатионы соответственно). Поликатионы запасают образованные в реакции протоны, а полианионы необходимы для их обмена. Несмотря на то, что полиэлектролитное покрытие не влияет на реакции окисления и восстановления, протекающие на поверхности электродов, такая модификация вызвала увеличение активности самих электродов. С помощью полиэлектролитов можно усилить ионный ток и, соответственно, проведение сигнала. Некоторые специфические покрытия могут служить защитой от коррозии за счет стабилизации кислотности.

Во время планирования эксперимента ученые предположили, что полиэлектролиты, окруженные мембраной, могут быть использованы в моделировании внутриклеточных процессов. Простейшая мембрана состоит из двух слоев липидов, молекул с гидрофильными и гидрофобными участками. Избирательная проницаемость таких структур с полиэлектролитной «подушкой» позволяет изменять заряд по всей их поверхности. Эта реакция схожа с распространением возбуждения по нерву.

Концентрация ионов водорода также может рассматриваться как параметр при подсчете энтропии – меры беспорядка системы. Процесс самоорганизации сопровождается увеличением упорядоченности и, соответственно, уменьшением энтропии. Изменения в распределении протонов в экспериментах с обычными электродами, а также модифицированными с помощью полиэлектролитов и мембранных структур, могут быть ассоциированы с явлением самоорганизации в биологических системах. Кроме этого, работа с полиэлектролитными покрытиями открывает перспективы для контролируемой самосборки новых материалов в переменном электрическом поле. Данное направление также важно для изучения динамических явлений в системах с хаотическим поведением или с нелинейными колебаниями.

«Дальнейшие исследования будут проводиться с использованием электродов с другой организацией в режимах при постоянной или импульсной подаче тока, при других значениях разности потенциалов, – говорит один из авторов статьи, сотрудник Лаборатории растворной химии передовых материалов и технологий Николай Рыжков. – Это поможет в выборе наиболее оптимальных параметров проведения экспериментов для различных полиэлектролитов».