Человеческое тело — это настоящая магистраль из 37 триллионов клеток, которые постоянно движутся и выполняют все жизненно важные функции: поглощают питательные вещества, превращают их в энергию, заживляют содранные коленки. Во многом их работой управляют электрические поля, влияющие на их поведение.

Новое исследование Университета Хьюстона показало, что клетки гораздо чувствительнее к электричеству, чем считалось раньше.

Наша работа меняет представления о пределах клеточной чувствительности и объясняет, как клетки улавливают даже слабые электрические поля, — говорит Яшри Кулкарни, профессор механики и аэрокосмической инженерии в UH.

Исследование опубликовано в издании PNAS, а ведущим автором стал аспирант Ананд Мэтью.

Раньше ученые думали, что клетки не могут реагировать на слабые поля из-за  «теплового шума» — хаотичных движений молекул, вызванных температурой. Это как пытаться услышать шепот на рок-концерте: шум заглушает все. Считалось, что этот „порог шума“ и есть предел чувствительности.

Но Кулкарни и Мэтью доказали, что в клеточной мембране постоянно кипит работа: белки и другие структуры потребляют энергию, создавая динамичную, неравновесную среду. Именно эта активность усиливает электрическую чувствительность.

Ученые построили новую теоретическую модель, используя неравновесную статистическую механику — науку о системах, которые всегда тратят энергию. Их расчеты показали, что активные процессы в мембране могут резко повысить чувствительность клеток к электричеству.

Если мы поймем, как клетки взаимодействуют с окружающей средой, это поможет создать новые медицинские устройства, биосенсоры и методы лечения, — говорит Мэтью. — Мы сможем проектировать системы, которые превзойдут природные механизмы.

Кулкарни добавляет:

Благодаря гранту NSF BRITE Pivot мы смогли изучить механику активной материи — и это открыло новые горизонты.

Этот прорыв меняет правила игры в биофизике и медицине. Понимание электрической чувствительности клеток может привести к:

• Точным биосенсорам — устройствам, которые будут улавливать малейшие изменения в организме.
• Новым методам лечения — например, направленной стимуляции клеток для заживления ран или борьбы с опухолями.
• Бионическим имплантам, которые смогут  «общаться» с клетками на их языке.

Хотя модель убедительна, она пока теоретическая. Эксперименты in vivo (в живых организмах) могут дать другие результаты — клеточная среда сложнее расчетов. Кроме того, авторы не уточняют, как именно активные белки усиливают чувствительность. Нужны дополнительные исследования.

Ранее мы опубликовали 10 биотехнологических инноваций.