細胞膜の不可視な運動がフレキシオ電気効果で発電を実証：生体電気現象の新たな物理的基盤

生命体の細胞膜において、目に見えない分子運動が電気を発生させる現象が理論的に確認された。この現象は「フレキシオ電気（flexoelectricity）」と名付けられ、細胞間の情報伝達や相互作用に関する新たな知見を提供する。この研究成果は2025年12月に学術誌『PNAS Nexus』に掲載され、独自の数理モデルを開発したプラディープ・シャルマ氏と共同研究者らが中心的な役割を担った。

研究の詳細な記述によれば、アデノシン三リン酸（ATP）の加水分解などの細胞内プロセスによって駆動される細胞膜の絶え間ない変動が、明確な電気的効果を生み出すことが確認された。これらの能動的な分子プロセスは膜に変動する機械的力を誘発し、その結果として電気的応答が生じる。フレキシオ電気効果とは、材料の変形が電荷を生成する物理効果であり、運動と電圧を直接結びつけるものである。

得られた主要なデータとして、発生する電圧は最大で90ミリボルトに達し、これは神経細胞のシグナル伝達で生じる電圧変化と比較可能なレベルであることが示された。さらに、これらの電圧変化はミリ秒のタイムスケールで発生し、典型的な活動電位曲線と一致する速度を示す。この研究には、ヒューストン大学とラトガース大学の研究者であるプラティーク・カンダガーレ氏やリピン・リウ氏らも関与し、細胞の活動と基本的な物理原理を結びつける数理モデルを構築した。

この発見が重要視されるのは、感覚プロセスや神経発火を理解するための物理的基盤を提供する点にある。また、細胞内でのエネルギーハーベスティングの物理的根拠も示唆されており、ATP加水分解によって駆動される膜の変動が、イオン輸送のメカニズム、特に電気化学的勾配に逆らってイオンを押し出す力となり得るという結論に至った。このメカニズムは、従来の化学的または電気的な膜機能モデルを超越する、生物物理学と細胞生物学の重要な接点を示す。

フレキシオ電気効果自体は、内耳の微細な膜の変形が音の振動を電気信号に変換する聴覚プロセスなど、生物学において以前から関与が指摘されてきた現象である。しかし、この新しい研究の新規性は、同じ物理学が通常の細胞膜全体で絶えず作用している可能性を理論的に示した点にある。この理論的枠組みは、細胞がエネルギーを収穫し、イオンを移動させ、さらには神経活動を引き起こす方法について、従来の分子機構を援用せずに新たな物理的説明を提供する。

この研究の理論的予測は、膜の弾性特性と誘電特性に依存しており、これらがイオン輸送の方向性と極性を決定する。この発見が検証されれば、細胞のエネルギー利用やシグナル伝達効率に関するモデルを根本的に変える可能性がある。さらに、細胞の電気的特性を模倣する「インテリジェント」な材料を開発する上での応用可能性も示唆されており、これは材料科学における実用的な関連性を示す。将来的には、この枠組みを多細胞集合体に拡張し、組織スケールでの集合的な生物電気現象を研究する道が開かれる。