Идеальная клетка для «Матрицы»

Десять лет назад, когда на экраны вышел кинофильм «Матрица», большая часть населения Земли узнала, что «человеческое тело вырабатывает биоэлектрической энергии больше, чем аккумулятор на 120 В плюс 6,3 килокалории тепла в день». Неточности этого утверждения оставим на совести сценаристов и переводчиков, однако выбор источника энергии «разумными машинами» удивляет в любом случае.

Если бы они и впрямь были разумными и нуждались в электричестве, человеческому телу они бы наверняка предпочли электрического угря. Примитивным мозгом этой рыбы куда проще управлять, чем человеческим, и пусть тепла он вырабатывает меньше, чем любое из млекопитающих, зато его тело способно выдавать электрический разряд с напряжением до шестисот вольт.

Сотрудник Национального института стандартов и технологий США Дэвид Лэйван и его коллега Цзянь Су из Йельского университета решили разобраться, как обратить эти способности во благо. В статье, принятой к публикации в Nature Nanotechnology, они описали, как подстроить электроцит – клетку, вырабатывающую ЭДС в теле электрического угря, – под нужды современной и будущей науки и техники. Как инновация отразится на внешнем и внутреннем облике будущих кибернетических организмов, представить пока сложно, но, по мнению авторов,

уже в скором будущем «идеальными клетками» смогут воспользоваться разработчики подкожных имплантатов – например, кардиостимуляторов.

На самом деле, электрические импульсы пронизывают тело любого живого существа ежесекундно, распространяясь по нервным тканям. Электроциты же – клетки, специально созданные природой для развития мощных кратковременных импульсов. У электрического угря электроциты упакованы в столбики, в каждом из которых количество клеток может достигать десяти тысяч, чем и объясняется большая мощность электрического удара. Такими разрядами водные хищники, такие как некоторые сомы и угри, могут глушить свою добычу, размером с человека, или отбиваться от еще более крупных охотников.

Для применения в рукотворных электрических устройствах и наноимплантантах функциональности природного электроцита недостаточно. И дело здесь вовсе не в том, что природа где-то просчиталась. Просто энергию для биологических процессов живые организмы черпают непосредственно из реакции гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), а электричество используют только для обороны или нападения. Это определяет специфические электрофизические свойства тканей тела, ответственных за выработку импульсов тока.

Чтобы «улучшить» творение природы, необходимо сначала разобраться, как оно работает. И вот здесь и кроется основная проблема. Хотя устройство электроцитов и их «внешние» электрические и химические свойства учёным известны довольно хорошо, о работе этих клеток в динамике – что именно, когда и куда движется – представления существенно более скудные.

В любой модели этих процессов присутствует уйма внутренних параметров, которые учёные пока не смогли определить. Это касается в первую очередь кинетических характеристик ионных каналов – плотностей потока и скорости частиц. Они либо вовсе не известны, либо определены весьма условно.

Лэйван и Су подошли к этой задаче с позиций теоретического моделирования.

Вместо того чтобы измерять, сколько ионов и с какой скоростью проходит через тот или иной канал в реальной клетке, они заставили компьютер вычислять «внешние» характеристики клеток, подставляя в модель их неизвестные внутренние параметры. При моделировании клетку они представляли как совокупность набора ионных насосов и потенциалзависимых проводящих наноканалов по ионам Na и K.

После этого оставалось лишь сравнить результаты моделирования с измерениями, которые уже были проведены для разных видов клеток, и подогнать внутренние параметры так, чтобы модель оказалась максимально похожа на экспериментальные данные во всех случаях.

Определив внутренние параметры и убедившись в работоспособности своей модели, ученые занялись оптимизацией электроцита.

Они вычислили, как надо изменить его внутренние характеристики для создания «идеальной» искусственной клетки для выработки электроэнергии в живом существе.

Надо отметить, что природа – кстати, вряд ли задававшаяся целью максимизировать эффективность выработки электроэнергии – произвела на свет клетку, не так уж сильно отличающуюся от оптимальной. Идеальный искусственный электроцит, существующий пока лишь в качестве модели, способен вырабатывать всего на 40% больше электричества; правда, он превосходит реальные клетки и в продолжительности разряда.

Согласно подсчетам теоретиков, небольшое устройство размером приблизительно 5х5х5 мм сможет выдавать импульсы тока мощностью 300 мВт.

В процессе поисков «оптимального электроцита» учёные наткнулись ещё на одну интересную конфигурацию. Если увеличить количество входных натриевых каналов на мембране, поток ионов натрия внутрь искусственного электроцита превысит ток проточных каналов и калиевых вентилей. Это приводит к автоматической деполяризации мембраны и запуску потенциала действия.

Такой электроцит способен к автоколебательному режиму работы – постоянная подпитка АТФ обеспечивает строго периодические импульсы электрического тока даже без внешнего ацетилхолинового возбуждения. Правда, такой режим работы существенно более прожорлив по отношению к АТФ и малоэффективен. Сравнивать его с природным учёные даже не стали.

Может, здесь бы Лэйвану и Су и закончить работу, приготовившись к научной критике в свой адрес, однако полёт теоретической мысли трудно остановить.

Учёные предложили набор из нескольких экспериментальных методик для создания работающего прототипа «идеального электроцита».

Его можно было бы использовать в выработке биоэлектрической энергии для нужд имплантантов.

По мнению Лэйвана и Су, подпитку устройства АТФ можно обеспечить, закрепив в нём митохондрии или бактерии. Можно сделать и ещё проще – заставить синтезировать «внутриклеточное топливо» на месте ферментами АТФ-синтетазами. Они, по мысли американских учёных, будут черпать энергию из градиента концентрации протонов внутри устройства. Этот градиент, в свою очередь, будет поддерживать белок бактериородопсин, используя энергию света. В живой природе подобным образом функционируют археи.

Учёные остановились и на совсем уж технических моментах реализации своей идеи. По их мнению, каждая мембрана, входящая в устройство по выработке импульсной электроэнергии, может представлять из себя белковый бислой, нанесенный на инертную пористую подложку, – например, мембрану мезопористого кремния. Поместить в этот липидный бислой природные ионные каналы с нужной плотностью можно с помощью так называемой пузырьковой диффузии. Сами ионные каналы модно выделить в чистом виде из природной биомассы с помощью аффинной хроматографии. Можно создать и искусственные каналы с помощью подгонки размера пор в пористом оксиде кремния с дальнейшей модификацией полупроводниковым оксидом титана и функциональными органическими группами.