Живые клетки намного чувствительнее к электрическим полям, чем считалось ранее
Человеческое тело представляет собой настоящую дорожную сеть, по которой движутся до 37 триллионов клеток, выполняющих все жизненно важные функции: от усвоения питательных веществ и преобразования их в энергию до заживления ссадин на коленях. Во многом эти действия управляются электрическими полями.
В Хьюстонском университете выяснили, что клетки чрезвычайно чувствительны к электрическим полям — гораздо сильнее, чем предполагали предыдущие научные теории. Статья об этом открытии вышла в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Наше исследование ставит под сомнение давние представления о пределах электрической чувствительности клеток и объясняет, как они обнаруживают электрические поля с удивительной точностью», — заявила профессор Яшашри Кулкарни с кафедры машиностроения и аэрокосмической техники имени Билла Д. Кука.
Десятилетиями ученые полагали, что клетки не могут обнаруживать очень слабые электрические поля из-за «теплового шума» — крошечных случайных флуктуаций, вызванных теплом. Это как пытаться услышать шепот на громком рок-концерте: фоновый шум заглушает его. Считалось, что этот «шумовой порог» определяет предел того, что клетки могут ощущать.
Кулкарни и ее аспирант Ананд Мэтью предположили, что электрическая чувствительность клеток выше, и это обусловлено активными компонентами мембран.
«Биологические мембраны не пассивны. Они содержат активные белки и другие компоненты, которые постоянно потребляют энергию, создавая динамичную, неравновесную среду. Наши результаты показывают, что эти активные процессы могут принципиально изменить способ реагирования клеток на механические и электрические стимулы», — объяснила профессор.
Исследователи создали новую теоретическую модель, используя неравновесную статистическую механику — науку, изучающую системы, постоянно потребляющие энергию. Новая модель помогает объяснить, как электромеханические мембраны в клетках движутся и изменяются в их активной, насыщенной энергией среде.
Анализ показывает, что эти энергопотребляющие процессы могут привести к значительному повышению электрической чувствительности — и эта теоретическая модель хорошо согласуется с экспериментальными наблюдениями во многих биологических системах.
Результаты исследования найдут применение в разработке медицинских приборов, биосенсоров и методов лечения следующего поколения, надеется Мэтью.
«Понимание, как клетки могут активно реагировать на окружающую среду, может способствовать разработке медицинских устройств нового поколения, биосенсоров и методов лечения различных заболеваний. Используя концепцию активной мембраны, мы можем начать проектировать системы, имитирующие или даже превосходящие сенсорные возможности, существующие в природе», — заключил он.
