Движение клеточных мембран генерирует электричество через флексоэлектрический эффект, установили ученые

Научное сообщество зафиксировало фундаментальное открытие: невидимое движение на мембранах живых клеток порождает электрический ток посредством механизма, получившего название флексоэлектричество. Это заключение открывает новые горизонты для понимания механизмов клеточной коммуникации и взаимодействия на самом базовом уровне. Исследование, проведенное группой под руководством профессора Прадипа Шармы, было опубликовано в декабре 2025 года в рецензируемом журнале PNAS Nexus.

Команда разработала уникальную математическую модель, которая позволила связать биологическую активность с фундаментальными физическими принципами. Детальный анализ подтверждает, что непрерывные, энергетически обусловленные флуктуации клеточной мембраны, инициируемые процессами, такими как гидролиз АТФ, вызывают измеримые электрические эффекты. Эти активные молекулярные процессы создают колеблющиеся механические напряжения, действующие на мембрану, что приводит к генерации заряда.

Ключевые количественные показатели исследования демонстрируют, что генерируемое напряжение может достигать 90 милливольт, что сопоставимо с изменениями напряжения при нейронной сигнализации. Более того, временные рамки этих изменений, измеряемые миллисекундами, точно соответствуют кривым типичных потенциалов действия, наблюдаемых в нервных клетках. Прадип Шарма, профессор и заведующий кафедрой машиностроения Университета Хьюстона, пришел к выводу, что активные колебания мембраны могут создавать силу, способствующую перемещению ионов через мембрану даже против их электрохимических градиентов.

Это предсказание имеет решающее значение, поскольку оно предлагает физическую основу для понимания направления и полярности транспорта ионов, что ранее оставалось не до конца выясненным фактором. Исследователи также связали эластичные и диэлектрические свойства мембраны с полярностью и направлением этого транспорта ионов. Флексоэлектричество, в отличие от пьезоэлектричества, универсально присутствует во всех диэлектриках и описывает прямое, двунаправленное сопряжение между градиентами деформации и поляризацией.

Теоретическая разработка, проведенная учеными из Университета Хьюстона и Ратгерского университета, включая Пратика Кхандагале, Липина Лю и Прадипа Шарму, моделирует мембраны как активные, зашумленные системы, постоянно возбуждаемые движением белков и распадом АТФ. Это смещает парадигму в клеточной биологии: клетки рассматриваются как активные физические системы. Количественная оценка напряжения и временной масштаб напрямую связывают механику на микроуровне с макроскопическими биологическими явлениями, такими как потенциалы действия.

Потенциальное практическое применение этой фундаментальной работы простирается в область материаловедения, где она может послужить основой для разработки материалов, имитирующих электрические свойства живых систем. В будущем фреймворк может быть расширен для изучения коллективных биоэлектрических явлений на уровне тканей и многоклеточных ансамблей. Таким образом, это открытие предлагает физическую основу для понимания сбора энергии внутри клеток и может стать связующим звеном между функционированием нейронов мозга и созданием биоинспирированных материалов.