Los ingenieros siempre han sabido que las grandes ideas se puede levantar de la Madre Naturaleza, pero un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Yale y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) que lleva a un nivel celular. La aplicación de modernas herramientas de diseño de ingeniería para una de las unidades básicas de la vida, argumentan que las células artificiales podrían ser construidos que no sólo reproducir el comportamiento eléctrico de las células de la anguila eléctrica, pero de hecho, mejorar en ellos. Versiones artificiales de las células de la anguila de generación de electricidad podría ser desarrollado como una fuente de energía para los implantes médicos y otros pequeños dispositivos, dicen.
Electric anatomía anguila: El primer detalle muestra montones de electrocitos, las células unidas en serie (para crear tensión) y paralelo (para construir actual). Segundo detalle muestra una celda individual con los canales iónicos y bombas penetratimng la membrance, el modelo de Yale / NIST representa el comportamiento de varias de estas células. Detalle final muestra un canal de iones individuales, uno de los pilares del modelo. Crédito: Daniel Zukowski, la Universidad de Yale
El documento, según el NIST ingeniero David Lavan, es un ejemplo de la relativamente nuevo campo de la biología de sistemas. "¿Entendemos cómo una célula produce energía eléctrica, así como para el diseño de uno y para optimizar ese diseño?", Pregunta.
Canal de las anguilas eléctricas de la salida de miles de células especializadas llamadas electrocitos para generar potenciales eléctricos de hasta 600 voltios, según los biólogos. El mecanismo es similar a las células nerviosas. La llegada de una señal química acciona la apertura de canales altamente selectivos en una membrana celular que causan los iones de sodio y el flujo de iones de potasio salgan. El intercambio de iones aumenta la tensión a través de la membrana, lo que hace que incluso los canales más abiertos. Pasado un cierto punto el proceso se perpetúa a sí mismo, lo que resulta en un impulso eléctrico viaja a través del celular. Los canales de cierre y abrir caminos alternativos para "bombear" los iones de vuelta a sus concentraciones iniciales en un "descanso" del Estado.
En total, según Lavan, hay al menos siete tipos diferentes de canales, cada uno con varios posibles variables a ajustar, como la densidad de la membrana. Las células nerviosas, que se mueven la información en lugar de energía, puede disparar rápidamente, pero con relativamente poca energía. Electrocitos tienen un ciclo más lento, pero ofrecen más potencia por períodos más largos. Lavan y socio Jian Xu desarrolló un complejo modelo numérico para representar a la conversión de las concentraciones de iones a impulsos eléctricos y lo ha probado con los datos previamente publicados sobre electrocitos y las células nerviosas para verificar su exactitud. Luego se examinó la manera de optimizar el sistema para maximizar la producción de energía mediante el cambio de la mezcla global de los tipos de canal.
Sus cálculos muestran que las mejoras sustanciales son posibles. Un diseño de una célula artificial genera energía a más de 40 por ciento más en un solo pulso de un electrocito natural. Otro podría producir salidas de potencia máxima de más de 28 por ciento más alto. En principio, dicen los autores, se apilan capas de células artificiales en un cubo de algo más de 4 mm en un lado son capaces de producir salida de potencia continua de 300 microvatios para impulsar pequeños dispositivos de implantes. Los componentes individuales de tales células artificiales, incluyendo un par de membranas artificiales separadas por un tabique aislante y los canales iónicos que se podrían crear por ingeniería las proteínas-que ya ha sido demostrada por otros investigadores. Al igual que la contraparte natural, la fuente de energía de la célula sería el trifosfato de adenosina (ATP), sintetizado a partir de los azúcares del cuerpo y grasas mediante bacterias a medida o las mitocondrias.