Xác nhận Khoa học: Chuyển động Vô hình trên Màng Tế bào Tạo ra Điện năng qua Hiệu ứng Biến dạng Điện

Các nhà khoa học đã chính thức xác nhận một cơ chế vật lý mới, trong đó chuyển động vô hình trên màng của các tế bào sống tạo ra dòng điện thông qua hiện tượng được gọi là biến dạng điện (flexoelectricity). Phát hiện này, được công bố vào tháng 12 năm 2025 trên tạp chí PNAS Nexus, mang lại những góc nhìn sâu sắc về cách thức giao tiếp và tương tác ở cấp độ tế bào.

Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Giáo sư Pradeep Sharma và các cộng sự, những người đã xây dựng một mô hình toán học độc đáo để kết nối hoạt động sinh học với các nguyên lý vật lý cơ bản. Cơ chế cốt lõi được mô tả là những dao động cơ học liên tục, được thúc đẩy bởi các quá trình nội bào như quá trình thủy phân ATP, tạo ra các hiệu ứng điện có thể đo lường được trên màng tế bào. Quá trình thủy phân ATP, vốn là cách tế bào phân hủy adenosine triphosphate để cung cấp năng lượng cho các hoạt động sinh học, tạo ra các lực cơ học tác động lên màng, gây ra hiện tượng uốn cong và gợn sóng.

Các nhà nghiên cứu đã định lượng được rằng điện áp tạo ra có thể đạt tới 90 milivolt, một mức điện áp có thể so sánh được với sự thay đổi điện áp trong quá trình truyền tín hiệu thần kinh. Những thay đổi điện áp này diễn ra trên thang thời gian mili giây, trùng khớp với đường cong điện thế hoạt động điển hình của các tế bào thần kinh. Giáo sư Pradeep Sharma, hiện là Giáo sư Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Cơ khí tại Đại học Houston và là thành viên Viện Hàn lâm Kỹ thuật Quốc gia (NAE) từ năm 2022, đã lãnh đạo nhóm phát triển mô hình toán học này để điều tra phản ứng biến dạng điện của các màng dao động tích cực.

Mô hình này xem xét các màng tế bào là các hệ thống nhiễu loạn tích cực, liên tục bị thúc đẩy bởi chuyển động của protein và sự phân hủy ATP. Kết luận của họ cho thấy những dao động màng tích cực này không chỉ tạo ra các xung điện thoáng qua mà còn có khả năng khuếch đại chúng, cung cấp một cơ chế vật lý cho việc thu hoạch năng lượng và vận chuyển ion có định hướng trong các tế bào sống. Khám phá này đặt ra những câu hỏi quan trọng về nền tảng vật lý của các quá trình cảm giác và sự phóng điện của tế bào thần kinh, đồng thời giải quyết yếu tố trước đây chưa được hiểu rõ về hướng và cực tính của sự vận chuyển ion.

Các nhà nghiên cứu đi đến kết luận rằng những dao động màng tích cực có thể tạo ra một lực có khả năng đẩy các ion qua màng, chống lại các gradient điện hóa của chúng, một điều mà trước đây dường như chỉ được giải thích bằng các cơ chế hóa học hoặc điện hóa. Bối cảnh rộng hơn cho thấy hiệu ứng biến dạng điện là một hiện tượng phổ quát xảy ra trong tất cả các vật liệu điện môi, không bị giới hạn bởi tính đối xứng tinh thể như hiệu ứng áp điện. Việc định lượng điện áp tạo ra (lên đến 90mV) và thang thời gian (mili giây) trực tiếp liên kết cơ học tế bào ở cấp độ vi mô với các hiện tượng sinh học vĩ mô như điện thế hoạt động, xác nhận sự giao thoa đáng kể giữa vật lý sinh học và sinh học tế bào.

Tiềm năng ứng dụng của phát hiện này là đáng kể, đặc biệt trong lĩnh vực khoa học vật liệu và y sinh học. Khung lý thuyết này có thể cung cấp cơ sở vật lý để hiểu được cơ chế thu hoạch năng lượng bên trong tế bào và có thể truyền cảm hứng cho việc phát triển các vật liệu mô phỏng các đặc tính điện của hệ thống sinh học. Hơn nữa, việc mở rộng khung lý thuyết này sang các tổ hợp đa tế bào trong tương lai có thể làm sáng tỏ cách các dao động tích cực thúc đẩy các hiện tượng điện sinh học tập thể ở quy mô mô.