Le cellule viventi possono generare elettricità dal movimento

La ricerca è stata condotta da Pradeep Sharma e dai suoi colleghi, che hanno costruito un modello matematico per esplorare come le forze fisiche all’interno delle cellule interagiscono con l’attività biologica. Il loro lavoro si concentra su come il movimento a livello molecolare può tradursi in segnali elettrici attraverso la membrana.

Attività molecolare che fa muovere le membrane

All’interno di ogni cellula, le proteine ​​cambiano costantemente forma, interagiscono con altre molecole e svolgono reazioni chimiche. Un processo importante è l’idrolisi dell’ATP, ovvero il modo in cui le cellule scompongono l’adenosina trifosfato per rilasciare energia. Questi processi biologici attivi non avvengono in silenzio. Spingono e tirano la membrana cellulare, facendola piegare, increspare e fluttuare.

Il modello mostra che questi movimenti continui della membrana possono innescare un fenomeno noto come flessoelettricità. La flessoelettricità si verifica quando la flessione o la deformazione di un materiale produce una risposta elettrica. In questo caso, la flessione della membrana cellulare può creare una differenza elettrica tra l’interno e l’esterno della cellula.

Livelli di tensione paragonabili ai segnali nervosi

Secondo il modello, le tensioni elettriche create attraverso la membrana possono essere sorprendentemente forti. In alcuni casi possono raggiungere fino a 90 millivolt. Questo livello è notevole perché è simile ai cambiamenti di voltaggio osservati nei neuroni quando inviano segnali elettrici.

I tempi corrispondono anche a ciò che accade nel sistema nervoso. Gli spostamenti di tensione possono verificarsi in pochi millisecondi, il che si allinea strettamente con la forma e la velocità delle tipiche curve del potenziale d’azione dei neuroni. Ciò suggerisce che gli stessi principi fisici potrebbero svolgere un ruolo nel modo in cui le cellule nervose comunicano.

Guidare il movimento degli ioni contro i gradienti naturali

La teoria va oltre prevedendo che queste tensioni guidate dalla membrana potrebbero spostare attivamente gli ioni. Gli ioni sono atomi caricati elettricamente che le cellule utilizzano per inviare segnali e mantenere l’equilibrio. Normalmente, gli ioni fluiscono lungo gradienti elettrochimici, nel senso che si spostano da aree ad alta concentrazione a zone a bassa concentrazione.

Il nuovo modello suggerisce che le fluttuazioni attive della membrana potrebbero spingere gli ioni nella direzione opposta, lavorando contro tali gradienti. I ricercatori collegano questo comportamento a proprietà specifiche della membrana, tra cui quanto è elastica e come risponde ai campi elettrici. Queste proprietà aiutano a determinare in quale direzione si muovono gli ioni e che tipo di carica trasportano.

Dalle singole cellule ai tessuti e ai nuovi materiali

Guardando al futuro, gli autori suggeriscono che questo quadro potrebbe essere ampliato oltre le singole cellule. Applicando gli stessi principi a gruppi di cellule, gli scienziati hanno potuto esplorare il modo in cui l’attività coordinata della membrana porta a schemi elettrici su scala più ampia nei tessuti.

I ricercatori sostengono che questo meccanismo offre una base fisica per comprendere la percezione sensoriale, l’attivazione neuronale e persino il modo in cui le cellule viventi potrebbero raccogliere energia internamente. Potrebbe anche aiutare a collegare le neuroscienze con lo sviluppo di materiali di ispirazione biologica e fisicamente intelligenti, offrendo nuovi modi per progettare sistemi che imitano il comportamento elettrico dei tessuti viventi.