Клітинні мембрани генерують електрику через флексоелектричний ефект, підтверджує дослідження

Науковці остаточно підтвердили, що невидимий рух на поверхнях живих клітин генерує електричний струм за механізмом, відомим як флексоелектрика. Це фундаментальне відкриття, опубліковане у випуску журналу PNAS Nexus за грудень 2025 року, надає фізично обґрунтовані уявлення про механізми клітинної взаємодії та комунікації.

Дослідження, очолюване Продіпом Шармою та його колегами з Університету Х'юстона та Ратгерського університету, включало розробку унікальної математичної моделі, яка пов'язує активні біологічні процеси з базовими фізичними принципами. Модель підтверджує, що постійні, енергетично зумовлені флуктуації клітинної мембрани, зокрема ті, що виникають через гідроліз АТФ, створюють вимірювані електричні ефекти. Ці активні молекулярні процеси, як-от зміна форми білків, індукують коливні механічні сили на мембрані, що призводить до її деформації. Флексоелектрика, універсальна властивість діелектриків, описує розвиток електричної поляризації у відповідь на градієнт деформації.

Ключові кількісні показники дослідження включають генерацію напруги, що досягає 90 мілівольт, що порівнянно зі змінами напруги, які спостерігаються під час нейронної сигналізації. Ці електричні зміни відбувалися на мілісекундних часових шкалах, що точно відповідає типовим кривим потенціалу дії нейронів. Дослідницька група, до складу якої входили Продіп Шарма, Пратік Кхандагале та Ліпінг Лю, представляє Університет Х'юстона та Ратгерський університет, підкреслюючи міжінституційну співпрацю.

Виявлені висновки порушують питання щодо фізичної основи сенсорних процесів та нейронного вивільнення, а також пропонують раніше не до кінця зрозумілий фактор, що керує напрямком та полярністю транспорту іонів. Дослідники дійшли висновку, що активні коливання мембрани можуть створювати силу, яка допомагає проштовхувати іони через мембрану, навіть проти їхніх природних градієнтів концентрації. Це пропонує новий фізичний механізм для активного транспорту іонів, який може зменшити енергетичне навантаження на спеціалізовані білкові помпи.

Актуальність цього відкриття полягає у наданні фізичної бази для розуміння сенсорного сприйняття та нейронної активності, а також у відкритті шляху для збору енергії всередині клітин. Флексоелектрика вже була задіяна у механізмах слуху, де деформації у внутрішньому вусі перетворюють звукові коливання на електричні сигнали. Новизна полягає у застосуванні цього ж фізичного принципу до постійної активності звичайних клітинних мембран. Професор Продіп Шарма, завідувач кафедри машинобудування в Університеті Х'юстона, спеціалізується на дослідженні флексоелектрики у м'яких матеріалах та біологічних мембранах.

Квантифікація генерації напруги (до 90 мВ) та часові рамки (мілісекунди) безпосередньо пов'язують мікроскопічну клітинну механіку з макроскопічними біологічними явищами. Потенційне застосування цього відкриття включає розробку «інтелектуальних» матеріалів, які імітують електричні властивості живих систем, що має практичне значення для матеріалознавства. Це відкриття вписується у ширшу зміну поглядів на клітини як на активні фізичні системи, а не лише як на хімічні фабрики.