科学者たちは、生きた細胞が膜の微小な運動を通じて独自の電気信号を生成する方法を説明する理論モデルを提案した。この機構は、活性分子プロセスによって駆動され、ニューロン活動を模倣し、イオン輸送に影響を与える可能性がある。これらの知見は、バイオインスパイアード素材の開発に役立ち、細胞機能の理解を深めるだろう。
Pradeep Sharma氏率いる研究者たちは、細胞膜の絶え間ない微視的運動が電気効果を生み出すという数学的枠組みを開発した。細胞膜は、あらゆる生きた細胞を囲む薄く柔軟な障壁であり、細胞内のタンパク質が形状を変え、分子と相互作用し、ATP加水分解などの反応でエネルギーを放出する際に動的に形状を変える。これらの活動により、膜は曲がり、波打ち、変動し、フレキソエレクトリシティを引き起こす。これは、材料の変形が電圧を生む現象である。
このモデルは、これらの運動が膜を横切る電気的差を生み、最大90ミリボルトに達すると予測する。これは発火するニューロンのレベルに匹敵する。電圧変化はミリ秒以内に起こり、ニューロン活動電位のタイミングと形状に一致する。これは、このような物理的原理が神経細胞の通信に寄与する可能性を示唆する。
さらに、この枠組みは、これらの電圧が自然な電気化学的勾配に逆らってイオン移動を駆動することを示す。イオンは、シグナル伝達と細胞平衡に不可欠な荷電原子であり、膜の伸縮性と電場への応答に基づいて能動的に輸送される可能性がある。イオンの流れの方向と電荷はこれらの特性に依存する。
このアイデアを拡張し、研究者たちは組織への適用を提案しており、協調的な膜活動がより大きな電気パターンを生む可能性がある。この機構は、感覚知覚、神経発火、細胞内の内部エネルギー収穫の物理的基盤を提供する。また、神経科学と生体組織を模倣した電気応答性バイオインスパイアード素材の設計を橋渡しする可能性がある。
この研究は、PNAS Nexus 巻4、issue 12、2025年12月発行に掲載される。
