Искусственные клетки могут вырабатывать энергию

В статье исследователей из Йельского университета и Национального института стандартов (NIST) (США), вышедшей в журнале Advanced Materials, описана чрезвычайно упрощенная модель клетки.

Она не просто поможет пролить свет на то, каким образом некоторые клетки создают электрические импульсы, эта модель работает, как маленькая батарея.

Такие искусственные клетки могут стать альтернативой традиционным твердотельным источникам энергии.

Синтетические клетки, созданные сотрудником NIST Дэвидом Лавэном и его коллегами, представляют собой окруженные липидной оболочкой капли водно-солевого раствора, содержащего ионы калия и хлора.

Молекулы липидов примечательны тем, что один конец молекулы притягивается к молекулам воды, другой конец их отталкивает. Когда две такие клетки соприкасаются друг с другом, гидрофобные концы липидов на внешней стороне клетки реагируют друг на друга, образуя стабильную двухслойную перегородку, разделяющую содержимое клеток - точно так же, как это делают настоящие клеточные мембраны.

Однако этим работа исследователей отнюдь не исчерпывается. Они внесли в двуслойную перегородку модифицированный белок - альфа-гемолизин, производимый бактерией Staphylococcus aureus. Эти добавленные белки создают в перегородке поры, способные пропускать ионы туда и обратно - точно так же, как поры в биологической клетке.

"Таким образом, либо положительные, либо отрицательные ионы могут преодолевать перегородку, создавая электрический потенциал, - пишет Лавэн. - Пользуясь этим потенциалом, мы можем получить электрический ток".

Если растворы в двух клетках изначально обладают разными концентрациями, то, введя в клетки металлические электроды, мы получим настоящий гальванический элемент. Компенсируя ток ионов через каналы, в соединяющем электроды проводнике возникнет электрический ток. Постепенно концентрации ионов в клетках уравняются - система разрядится.

По мнению Лавэна, создание искусственных копий сложных клеток - например, клеток электрического угря, позволяющих ему оглушать добычу электрическим импульсом - пока что слишком сложная задача. Пока что ученые заняты исследованием построенной ими простейшей системы, работу которой удобно изучать именно в силу минимального набора элементарных свойств - таких, как размер капель, концентрации водных растворов и количества ионных каналов в перегородке между клетками.

Миниатюрная батарея из двух искусственных клеток, содержащая всего 200 нанолитров раствора, способна поддерживать электрический ток в течение почти 10 минут. Большая по размерам система, содержащая порядка 11 микролитров, продержалась более четырех часов.

По соотношению производимой энергии и данного объема биологические батареи в двадцать раз менее эффективны, чем традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы. Но в отношении денежной стоимости превращения химической энергии в электрическую искусственные клетки уже вполне сравнимы с твердотельными устройствами, превращающими тепло, свет или механическое напряжение в электричество - таким образом, рано или поздно синтетические клетки могут занять их место в инструментарии нанотехнологий.