Искусственные клетки работают как батарейки

29.10.09 | Рубрика: Альтернативные источники тока. Просмотры: 769

Изучение комплексной работы биологической клетки путём определения функции каждой молекулы – не самая простая задача. Но обращаясь к искусственным клеткам, которые воспроизводят всего несколько химических процессов, исследователи могут разбираться с функциональными механизмами поочерёдно.

Учёные из Йельского университета (Yale University) и Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) разработали простую модель клетки, которая не только проливает свет на то, каким образом живые структуры генерируют электричество, но и сами выступают как микроскопические батареи и в перспективе выступят альтернативой существующим полупроводниковым источникам питания.

Каждая синтетическая клетка, созданная инженером из NIST Дэвидом ЛаВаном (David LaVan) и его коллегами, содержит каплю водного раствора соли – ионов калия и хлорида, — заключённого в «резервуар» со стенками из молекул жира. Одна их сторона притягивает молекулы воды, а другая отталкивает. Когда между двумя клетками происходит контакт, водоотталкивающие «концы» формируют двойной слой, разделяющий внутреннее пространство клеток почти так же, как реальные мембраны. В обычном случае далее ничего не происходит. Но учёные внедрили в двухслойную структуру модифицированную форму протеина альфа-гемолизина, синтезируемого золотистым стафилококком. Такая примесь создаёт поры, которые работают как каналы для ионов аналогично живой клетке. В результате положительно и отрицательно заряженные частицы могут проходить сквозь преграду и создавать разность потенциалов. Если растворы в клетках изначально имеют различные концентрации, помещение в капли тонких металлических электродов приводит к появлению маленькой батареи: через подсоединённую к электродам цепь потекут электроны, уравновешиваемые током ионов через каналы. Концентрации ионов будут выравниваться по мере потери системой заряда.

Создание искусственных версий живых клеток – чрезвычайно сложная задача для технологий сегодняшнего дня. Поэтому исследователи вынуждены применять упрощённые копии с элементарными процессами, суть которых можно понять благодаря базовым свойствам, включающим размер капель, концентрации водных растворов, количество каналов для ионов. Микроскопическая батарейка с двумя содержащими по 200 нанолитров раствора каплями может генерировать электричество в течение 10 минут. Более крупная система с 11 мкл работает дольше 4 часов. На единицу объёма источника питания это в 20 раз меньшая эффективность по сравнению с кислотно-свинцовыми батареями. Но благодаря способности синтетических клеток конвертировать химическую энергию в электрическую общая эффективность достигает 10%, что сравнимо с полупроводниковыми компонентами, вырабатывающими энергию из тепла, света или механической нагрузки. Возможно, однажды разработка Йельского университета и NIST займёт достойное место в наборе инструментов нанотехнологий.