Zellmembranbewegungen erzeugen Strom durch Flexoelektrizität: Neue Erkenntnisse

Wissenschaftler haben die fundamentale Erkenntnis bestätigt, dass unsichtbare Bewegungen auf den Membranen lebender Zellen Elektrizität durch einen als Flexoelektrizität bezeichneten Mechanismus generieren. Diese Entdeckung, die am 16. Dezember 2025 in der Fachzeitschrift PNAS Nexus veröffentlicht wurde, liefert tiefere Einblicke in die Mechanismen der zellulären Interaktion und Kommunikation. Die Forschung wurde maßgeblich von Pradeep Sharma und seinem Team vorangetrieben, die ein neuartiges mathematisches Modell entwickelten, um dieses Phänomen zu quantifizieren.

Das detaillierte Modell belegt, dass kontinuierliche, energiegetriebene Fluktuationen der Zellmembran, ausgelöst durch zelluläre Prozesse wie die ATP-Hydrolyse, messbare elektrische Effekte hervorrufen. Diese aktiven molekularen Vorgänge erzeugen fluktuierende mechanische Kräfte auf die Membran, welche die Grundlage für die elektrische Erzeugung bilden. Die Flexoelektrizität ist eine Form der elektromechanischen Kopplung, bei der eine Krümmung der Membran eine elektrische Polarisation induziert, was die Umwandlung mechanischer Verformungen in elektrische Signale ermöglicht.

Die zentralen quantitativen Daten der Studie zeigen erzeugte Spannungen von bis zu 90 Millivolt, ein Wert, der mit den Spannungsänderungen vergleichbar ist, die bei der Signalübertragung neuronaler Zellen auftreten. Diese elektrischen Veränderungen vollzogen sich auf Zeitskalen im Millisekundenbereich, was exakt den typischen Kurven von Aktionspotenzialen entspricht. Pradeep Sharma von der University of Houston leitete die Forschung, die sich intensiv mit der Elektromechanik biologischer Membranen und der Flexoelektrizität befasst.

Die Schlussfolgerungen der Forscher deuten darauf hin, dass diese aktiven Membranfluktuationen eine Kraft erzeugen können, die den Transport von Ionen gegen ihre Konzentrationsgradienten unterstützt. Dies adressiert eine bisher unzureichend verstandene Komponente bei sensorischen Prozessen und der neuronalen Erregungsleitung, insbesondere hinsichtlich der Richtung und Polarität des Ionentransports. Die Forscher stellten eine Verbindung zwischen den elastischen und dielektrischen Eigenschaften der Membran und der Richtung des Ionentransports her.

Die Relevanz dieser Entdeckung ist immens, da sie eine physikalische Grundlage für das Verständnis sensorischer Mechanismen und der neuronalen Aktivität liefert und gleichzeitig einen physikalischen Mechanismus für die Energiegewinnung innerhalb lebender Zellen aufzeigt. Die Flexoelektrizität ist ein universelles Phänomen, das in allen Dielektrika auftritt, im Gegensatz zur Piezoelektrizität, die nur in ausgewählten Materialien zu beobachten ist. Die Arbeit von Sharma und Kollegen, zu denen auch Liping Liu von der Rutgers University zählt, erweitert das Verständnis von der reinen chemischen oder elektrischen Modellierung der Membranfunktion hin zu einer biophysikalischen Beschreibung.

Darüber hinaus besitzt dieser Mechanismus das Potenzial, die Entwicklung von bio-inspirierten, physikalisch intelligenten Materialien voranzutreiben, die das elektrische Verhalten lebender Gewebe nachahmen können. Die Fähigkeit, elektrische Signale aus mechanischen Mikrobewegungen zu gewinnen, eröffnet Perspektiven für neuartige Energieerntevorrichtungen und biomedizinische Sensoren. Die theoretische Erweiterung des Modells auf multizelluläre Verbände könnte zukünftig kollektive bioelektrische Phänomene auf Gewebeebene erklären helfen.