2008年10月3日
工程师长已经知道可以从大自然伟大的思想,但耶鲁大学的研究人员撰写的一篇新论文,国家标准与技术研究院(NIST)把它到细胞水平。现代工程设计工具应用到生命的基本单位之一,他们认为人工细胞可以修建,不仅复制电鳗电池的电气行为但实际上提高。人工版本的鳗鱼发电细胞可以作为医疗植入物和其他小的电源设备,他们说。
电鳗解剖学:第一个细节显示堆栈的发电,细胞连接在系列(建立电压)和并行(建立电流)。第二个细节显示单个细胞离子通道和泵penetratimng膜,耶鲁大学/ NIST模型代表了几个这样的细胞的行为。最终的细节显示一个单独的离子通道,模型的构建块之一。信贷:丹尼尔Zukowski,耶鲁大学
摘要根据NIST工程师大卫•拉文是一个相对较新的领域的例子系统生物学。“我们了解细胞产生电力足以设计—优化设计?”他问道。
电鳗通道的输出成千上万的特殊细胞叫做发电产生600伏电压的电动电位,根据生物学家。类似于神经细胞的机制。化学信号触发的到来的高度选择性通道在细胞膜造成钠离子和钾离子的流动流出。离子交换膜的电压增加,导致更多的通道打开。到某一个点过程变得自我,导致电动脉冲穿过细胞。然后通道关闭和备用路径打开回到他们最初的“泵”离子浓度在“休息”状态。
,拉文,至少有七种不同类型的频道,每个都有几个可能的变量来调整,如膜的密度。神经细胞移动信息而不是能量,可以迅速但相对较少的权力。发电细胞周期较慢,但长时间提供更强大的功能。拉文和伙伴徐剑开发一个复杂的数学模型来表示离子浓度转换成电脉冲和测试它在发电细胞和神经细胞对先前公布的数据来验证其准确性。然后他们考虑如何优化系统输出功率最大化通过改变通道的整体组合类型。
他们的计算表明,实质性的改进是可能的。设计一个人工细胞产生更多的能量40%以上的单脉冲比自然发电细胞。另一个会产生峰值功率输出高28%以上。原则上,这组作者说,堆放层人工细胞在一个立方体略超过4毫米方面有能力生产连续输出功率约300毫瓦驱动小型植入设备。这种人工细胞的单个组件一双人工膜隔开绝缘分区和离子通道,可以由工程proteins-already已经证明了其他研究人员。喜欢自然,细胞的能量来源将是三磷酸腺苷(ATP),使用定制从身体的糖和脂肪合成细菌或线粒体。