Ruch Błon Komórkowych Generuje Elektryczność Poprzez Zjawisko Fleksoelektryczności

Naukowcy potwierdzili, że niewidoczne ruchy na błonach żywych komórek generują energię elektryczną za sprawą mechanizmu zwanego fleksoelektrycznością. Odkrycie to, szczegółowo opisane w publikacji z grudnia 2025 roku w czasopiśmie PNAS Nexus, stanowi kulminację prac teoretycznych, w tym opracowania unikalnego modelu matematycznego, i otwiera nowe perspektywy w badaniach nad komunikacją i interakcjami komórkowymi.

Badania, prowadzone przez zespół pod kierownictwem Pradeepa Sharmy, sugerują, że stałe, napędzane energią fluktuacje błony komórkowej, inicjowane przez procesy takie jak hydroliza ATP, wywołują mierzalne efekty elektryczne. Prace te wpisują się w szerszy nurt postrzegania komórek nie tylko jako fabryk chemicznych, ale jako dynamicznych systemów fizycznych, dalekich od równowagi. Kluczowe dane ilościowe z modelu wskazują, że generowane napięcia mogą osiągać wartość do 90 miliwoltów, co jest porównywalne ze zmianami napięcia obserwowanymi podczas sygnalizacji neuronalnej. Zmiany potencjału elektrycznego zachodzą w skali milisekund, co jest zbieżne z typowymi krzywymi potencjałów czynnościowych.

Zespół badawczy, w skład którego wchodzili Pratik Khandagale, Liping Liu oraz Pradeep Sharma z Uniwersytetu w Houston i Uniwersytetu Rutgersa, stworzył ramy teoretyczne do zbadania tego zjawiska. Wcześniejsze prace już sugerowały rolę fleksoelektryczności w miękkich materiałach i błonach biologicznych, ale nowe badania koncentrują się na aktywnych fluktuacjach żywych systemów. Konkluzje badaczy koncentrują się na fizycznych podstawach procesów sensorycznych i wyładowań neuronalnych, wskazując na nie w pełni zrozumiany dotąd czynnik kierujący transportem jonów oraz polaryzacją.

Hipoteza zespołu zakłada, że aktywne fluktuacje błony mogą generować siłę zdolną do przepychania jonów przez błonę wbrew ich gradientom elektrochemicznym, co ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia mechanizmów energetycznych komórek. Fleksoelektryczność, zjawisko uniwersalne we wszystkich dielektrykach, staje się szczególnie istotna w skali nanometrycznej, gdzie gradienty odkształceń są wzmocnione. Znaczenie tego odkrycia dostarcza fizycznego uzasadnienia dla zjawisk sensorycznych i aktywacji neuronów, a także wskazuje na fizyczny mechanizm pozyskiwania energii wewnątrz komórek.

W kontekście szerszej biofizyki, zjawisko to potwierdza elektryczne efekty wynikające z ciągłych fluktuacji błony napędzanych hydrolizą ATP, co implikuje nowe spojrzenie na mechanizmy transportu jonowego. Pradeep Sharma, profesor i przewodniczący Wydziału Inżynierii Mechanicznej na Uniwersytecie w Houston, jest uznanym autorytetem w dziedzinie mechaniki kontinuum. Analiza ta potwierdza znaczące przenikanie się biofizyki i biologii komórkowej, wykraczające poza czysto chemiczne lub elektryczne modele funkcji błon. Kwantyfikacja generowanego napięcia (do 90 mV) i skali czasowej (milisekundy) bezpośrednio łączy mechanikę komórkową na poziomie mikroskopowym z makroskopowymi zjawiskami biologicznymi, takimi jak potencjały czynnościowe.

W inżynierii materiałowej, potencjalne zastosowania obejmują rozwój materiałów „inteligentnych”, które naśladują elektryczne właściwości komórek, co jest obszarem aktywnie badanym, na przykład w kontekście nanogeneratorów wzbogaconych o efekt fleksoelektryczny. Zjawisko fleksoelektryczności, polegające na indukowaniu polaryzacji elektrycznej przez gradienty odkształcenia, odgrywa centralną rolę w procesach sensorycznych, takich jak słuch. W kontekście biologicznym jest również obecne w kościach, gdzie gradienty odkształceń związane ze złamaniami mogą kierować aktywnością osteoblastów podczas gojenia. Teoretyczna moc predykcyjna modelu w odniesieniu do transportu jonów wbrew gradientom elektrochemicznym stanowi krok naprzód w teorii, potencjalnie zmieniając modele wykorzystania energii komórkowej.