Zellmembranen könnten durch Flexoelektrizität Strom erzeugen

Unsere Zellen könnten regelrecht vor Elektrizität vibrieren und damit als verborgene Energiequelle fungieren, die den Transport von Stoffen unterstützt oder sogar an der Kommunikation unseres Körpers beteiligt ist.

Forschende der Universität Houston und der Rutgers-Universität in den USA gehen davon aus, dass winzige Wellenbewegungen in den fetthaltigen Membranen, welche unsere Zellen umgeben, genügend Spannung erzeugen könnten, um bestimmte biologische Vorgänge direkt mit Energie zu versorgen.

Diese Schwankungen sind bereits umfassend untersucht worden. Bekannt ist, dass sie durch die Aktivität eingelagerter Proteine sowie durch den Abbau von Adenosintriphosphat (ATP) angetrieben werden – dem wichtigsten Mechanismus für den Energietransport in Zellen.

Die neue Studie liefert theoretische Hinweise darauf, dass das Flattern der Membranen intensiv und geordnet genug sein könnte, eine elektrische Ladung hervorzubringen, die Zellen für wichtige Aufgaben nutzen können.

Flexoelektrizität in Zellmembranen

„Zellen sind keine passiven Systeme – sie werden durch interne aktive Prozesse wie Proteinaktivität und ATP-Verbrauch angetrieben“, schreiben die Forschenden in ihrer veröffentlichten Arbeit.

„Wir zeigen, dass diese aktiven Schwankungen, gekoppelt mit der universellen elektromechanischen Eigenschaft der Flexoelektrizität, Transmembranspannungen erzeugen und sogar den Ionentransport antreiben können.“

Entscheidend für das Verständnis des neuen Modells ist das Konzept der Flexoelektrizität. Es beschreibt im Wesentlichen, wie zwischen Bereichen eines Materials mit unterschiedlich starker Verformung eine Spannung entstehen kann.

Durch Wärme, die sich zufällig innerhalb der Zelle verändert, werden Membranen fortlaufend gebogen. Theoretisch müsste sich jede auf diese Weise erzeugte Spannung in Systemen im Gleichgewicht gegenseitig aufheben und wäre daher als Energiequelle unbrauchbar.

Die Forschenden argumentierten jedoch, dass Zellen nicht in einem strikten Gleichgewichtszustand sind: Die Aktivität im Zellinneren läuft unablässig weiter und hält uns am Leben. Um zu klären, ob dies ausreicht, eine Lipidmembran in eine Art Motor zu verwandeln, waren mehrere detaillierte Berechnungen erforderlich.

Elektrische Spannung und Ionentransport

Den Berechnungen des Teams zufolge kann Flexoelektrizität einen elektrischen Unterschied zwischen Zellinnerem und Zelläußerem erzeugen: bis zu 90 Millivolt. Diese Spannung reicht aus, um ein Neuron zum Feuern zu bringen.

Die erzeugte Spannung könnte außerdem die Bewegung von Ionen unterstützen – elektrisch geladenen Atomen, deren Verhalten durch elektrische und chemische Ströme gesteuert wird.

Membranschwankungen könnten stark genug sein, biologische Abläufe wie Muskelbewegungen und Sinnesignale zu beeinflussen. Das Team schätzte, dass die Ladungen innerhalb von Millisekunden entstehen, was zum zeitlichen Ablauf der Signale passt, die sich durch Nervenzellen ausbreiten.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Aktivität die Transmembranspannung und Polarisierung erheblich verstärken kann, was auf einen physikalischen Mechanismus zur Energiegewinnung und zum gerichteten Ionentransport in lebenden Zellen hindeutet“, schreiben die Forschenden.

Auswirkungen auf Gewebe und künstliche Systeme

Die Ergebnisse könnten sich auch auf Zellverbände übertragen lassen. Damit könnten sie erklären helfen, wie Zellmembranen koordiniert werden und dadurch Effekte sowie Gewebe in größerem Maßstab entstehen. Künftige Studien können nun prüfen, ob dies im Körper tatsächlich wie erwartet funktioniert.

Die Erkenntnisse könnten zudem über lebendes Gewebe hinaus Bedeutung haben. Die Forschenden bringen die Möglichkeit ins Spiel, dieselben elektrizitätserzeugenden Mechanismen für die Entwicklung von Netzwerken künstlicher Intelligenz und naturinspirierter synthetischer Materialien zu nutzen.

„Die Untersuchung elektromechanischer Dynamiken in Neuronennetzwerken könnte die molekulare Flexoelektrizität mit komplexer Informationsverarbeitung verbinden, mit Auswirkungen sowohl auf das Verständnis der Gehirnfunktion als auch auf die Entdeckung bioinspirierter Rechenmaterialien“, schreiben die Forschenden.

Die Studie wurde in PNAS Nexus veröffentlicht.