Искусственные угри внутри человека выработают ток для имплантатов

Микроскопические биоинженерные генераторы однажды смогут запитывать медицинские имплантаты, получая топливо прямо из организма, без потребности во внешней зарядке. Такова далёкая перспектива удивительной работы американских учёных, вознамерившихся скопировать и даже улучшить работу электрических клеток пресноводных рыб – угрей.

Электрический угорь (Electric eel) способен вырабатывать напряжение до 500-650 вольт при токе до одного ампера (то есть свыше полукиловатта пиковой мощности).

Когда эта рыба находит добычу, она посылает сигнал в специальные "охотничьи" брюшные органы, в которых тысячи и тысячи электрических клеток открывают каналы для пропуска в противоположные стороны ионов натрия и калия. Перемещение этих ионов создаёт на клетках напряжение, которое суммируется вдоль всего органа, достигая внушительной величины.

Эти опасные не только для морской живности, но и для человека импульсы могут следовать с частотой в сотни герц. И в определённых условиях угорь способен посылать такие разряды до одного часа кряду, не выказывая усталости. Всё – за счёт внутренней энергетики организма.

Электрический угорь может вырастать до трёх метров в длину и весить до 40 килограммов. Живёт эта рыба в пресных водах Центральной и Южной Америки (фото brian.gratwicke).

Ну разве это не чудо природы? Так почему бы не поучиться у него? И правда, про биомиметику слышали, наверное, все, а вот про биомиметику на клеточном и даже молекулярном уровне – едва ли.

Между тем именно такую задачу – разобрать по молекулам и скопировать работу электрических клеток угря – поставили перед собой Цзянь Сюй (Jian Xu) из Йельского университета (Yale University) и Дэвид Лаван (David LaVan) из американского Национального института стандартов и технологий (NIST).

Эти исследователи разработали сложные численные модели перемещения ионов через клеточные структуры и сравнили их с ранее полученными данными об электрических клетках.

А далее учёные разработали модели искусственных клеток, позволяющие улучшить выходные параметры, против природного аналога. В частности, один из таких проектов сулит рост пиковой мощности на 40%, а второй – на 28%.

(Этому исследованию посвящена статья в журнале Nature Nanotechnology.)



Первая картинка показывает анатомию электрического органа угря, то есть наборы электроцитов, клеток, связанных последовательно (чтобы поднять суммарное напряжение) и параллельно (чтобы увеличить ток). На второй картинке – отдельная клетка с ионными каналами и насосами, проникающими сквозь мембрану (новая модель Йеля и NIST как раз изучала поведение нескольких таких клеток). Заключительный рисунок демонстрирует отдельный ионный канал – стандартный блок модели (иллюстрация Daniel Zukowski/Yale University).

Лаван поясняет, что механизм создания напряжения клетками электрических органов угря схож со схемой посылки нервных сигналов в мозге. Только нервные клетки способны на генерацию очень маленького напряжения (зато – они создают его быстро), в то время как специальные электрические обладают более длительным циклом работы, зато накапливают куда более внушительное напряжение.

Соответственно, подбирая по определённым законам ионные проводники и формируя из них системы нанометрового масштаба, можно создать искусственные аналоги электрических клеток, которые за счёт оптимизации параметров превзойдут свои живые прообразы по эффективности.

Данное исследование является частью усилий американского Национального центра дизайна биомиметических нанопроводников (National Center for the Design of Biomimetic Nanoconductors), направленных на создание крошечных систем, как ясно из названия, по образу и подобию природных аналогов.

Один из примеров наногенераторов, разрабатываемых в Biomimetic Nanoconductors. Специально сконструированная липидная мембрана на тонкой пористой подложке из кварца или полимера. Внизу: компьютерные модели молекулярных комплексов, обеспечивающих требуемую ионную проводимость (иллюстрации с сайта nanoconductor.org).

Упомянутые системы самых разных видов должны вырабатывать электрическую энергию, производить электрические или электрохимические сигналы или создавать осмотические давление и потоки внутри микроскопических устройств.

Заметим, саму идею "взять угря да превратить его в живую электростанцию на благо человечества" изобретатели предлагали не раз. И даже курьёзные опыты ставили. Скажем, мы видели, что угорь способен питать лампочки на рождественской ёлке.

Но нельзя же всерьёз полагать, что колонии запертых в аквариумах несчастных угрей помогут нам решить энергетическую проблему? Уж лучше получать электричество из шоколада или сточных вод при помощи бактерий.

Цзянь Сюй изучает самые различные системы, в которых используются биологические составляющие и может генерироваться напряжение. Как эти две соприкасающиеся капли с различными растворами внутри, покрытые липидными мембранами, – примитивный прообраз биобатареи (фото с сайта pantheon.yale.edu).

Однако что-то в этой мысли (про угрей) — есть. Скопировав их "боевые" клетки, можно создать крошечные генераторы для нетребовательных к мощности имплантатов или иных небольших устройств. Так рассуждают Сюй и Лаван.

Они высчитали, что слои искусственных клеток, уложенных в куб со стороной чуть более четырёх миллиметров (да, это вам не хомяк-зарядник), способны будут производить непрерывную мощность около 300 микроватт.

Отдельные компоненты таких искусственных клеток, в том числе мембраны и ионные каналы, можно построить из сконструированных протеинов, которые уже продемонстрированы другими исследователями.

Источником энергии для таких биогенераторов, как и для природных аналогов, послужит аденозин трифосфат, синтезируемый из сахаров и жиров, имеющихся в организме, при помощи бактерий или митохондрий.

Ранее мы видели проекты (и опыты) по созданию миниатюрных устройств, вырабатывающих толику электричества прямо в теле пациента: за счёт тепла (1 и 2) и даже человеческой крови.

В теории это всё реализуемо. Вопрос лишь в достижимом тем или иным способом фактическом уровне мощности. Обойдёт ли угорь-генератор прочие варианты?