Искусственные угри внутри человека выработают ток для имплантатов
Микроскопические биоинженерные генераторы в один раз смогут запитывать медицинские имплантаты, приобретая горючее прямо из организма, без потребности во внешней зарядке. Такова далёкая возможность необычной работы американских учёных, вознамерившихся скопировать а также улучшить работу электрических клеток пресноводных рыб – угрей.
Электрический угорь (Electric eel) способен производить напряжение до 500-650 вольт при токе до одного ампера (другими словами более чем полукиловатта пиковой мощности).
В то время, когда эта рыба находит добычу, она отправляет сигнал в особые «охотничьи» брюшные органы, в тысячи и которых тысячи электрических клеток открывают каналы для пропуска в противоположные стороны ионов Na и калия. Перемещение этих ионов создаёт на клетках напряжение, которое суммируется на протяжении всего органа, достигая внушительной величины.
Эти страшные не только для морской живности, но и для человека импульсы смогут направляться с частотой в много герц. И в определённых условиях угорь способен отправлять такие разряды до одного часа кряду, не показывая 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 из-за чего бы не поучиться у него?
И действительно, про биомиметику слышали, возможно, все, а вот про биомиметику на клеточном а также молекулярном уровне – чуть ли.
В это же время как раз 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 технологий и Национального института стандартов (NIST).
Эти исследователи создали сложные численные модели перемещения ионов через клеточные структуры и сравнили их с ранее взятыми данными об электрических клетках.
А потом учёные создали модели неестественных клеток, разрешающие улучшить выходные параметры, против природного аналога. В частности, один из таких проектов сулит рост пиковой мощности на 40%, а второй – на 28%.
(Этому изучению посвящена статья в издании Nature Nanotechnology.)
Первая картина показывает анатомию электрического органа угря, другими словами комплекты электроцитов, клеток, связанных последовательно (дабы поднять суммарное напряжение) и параллельно (дабы расширить ток).
На второй картине – отдельная клетка с насосами и ионными каналами, проникающими через мембрану (новая модель Йеля и NIST именно изучала поведение нескольких таких клеток). Последний рисунок демонстрирует отдельный ионный канал – обычный 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. Лишь нервные клетки способны на генерацию весьма мелкого напряжения (но – они создают его скоро), тогда как особые электрические владеют более долгим циклом работы, но накапливают куда более внушительное напряжение.
Соответственно, подбирая по определённым законам ионные проводники и формируя из них совокупности нанометрового масштаба, возможно создать неестественные аналоги электрических клеток, каковые за счёт оптимизации параметров превзойдут собственные живые прообразы по эффективности.
Данное изучение есть частью упрочнений американского Национального центра дизайна биомиметических нанопроводников (National Center for the Design of Biomimetic Nanoconductors), направленных на создание маленьких совокупностей, как светло из заглавия, по подобию и образу природных аналогов.
Один из примеров наногенераторов, разрабатываемых в Biomimetic Nanoconductors. Намерено сконструированная липидная мембрана на узкой пористой подложке из кварца либо полимера.
Внизу: компьютерные модели молекулярных комплексов, снабжающих требуемую ионную проводимость (иллюстрации с сайта nanoconductor.org).
Упомянутые совокупности самых различных видов должны производить электрическую энергию, создавать электрические либо электрохимические сигналы либо создавать осмотические потоки и давление в микроскопических устройств.
Увидим, саму идею «забрать угря да перевоплотить его в живую электростанцию на благо человечества» изобретатели предлагали неоднократно. А также курьёзные испытания ставили.
Скажем, мы видели, что угорь способен питать лампочки на рождественской ёлке.
Но нельзя же всерьёз считать, что колонии закрытых в аквариумах несчастных угрей окажут помощь нам решить энергетическую проблему? Уж лучше приобретать электричество из шоколада либо сточных вод при помощи бактерий.
Цзянь Сюй изучает самые разные совокупности, в которых употребляются биологические составляющие и может генерироваться напряжение. Как эти две соприкасающиеся капли с разными растворами внутри, покрытые липидными мембранами, – примитивный прообраз биобатареи (фото с сайта pantheon.yale.edu).
Но что-то в данной мысли (про угрей) — имеется. Скопировав их «боевые» клетки, возможно создать маленькие генераторы для нетребовательных к мощности имплантатов либо иных маленьких устройств.
Так рассуждают Сюй и Лаван.
Они высчитали, что слои неестественных клеток, уложенных в куб со стороной чуть более четырёх миллиметров (да, это вам не хомяк-зарядник), способны будут создавать постоянную мощность около 300 микроватт.
Отдельные компоненты таких неестественных клеток, а также мембраны и ионные каналы, возможно выстроить из сконструированных протеинов, каковые уже показаны вторыми исследователями.
Источником энергии для таких биогенераторов, как и для природных аналогов, послужит аденозин трифосфат, синтезируемый из жиров и сахаров, имеющихся в организме, при помощи бактерий либо митохондрий.
Ранее мы видели проекты (и испытания) по созданию миниатюрных устройств, производящих толику электричества прямо в теле больного: за счёт тепла (1 и 2) а также людской крови.
В теории это всё реализуемо. Вопрос только в достижимом тем либо иным методом фактическом уровне мощности.
Обойдёт ли угорь-генератор другие варианты?
