Живая клетка представляет собой исключительно сложную систему. Понять, как она работает, поочередно выясняя функции каждой молекулы — очень трудная, возможно, невыполнимая задача. Однако, создав синтетические клетки с протеканием лишь нескольких химических процессов, ученые могут намного упростить изучение клеточной механики. В статье исследователей из Йельского университета и Национального института стандартов (NIST) (США), вышедшей в журнале Advanced Materials, описана чрезвычайно упрощенная модель клетки. Она не просто поможет пролить свет на то, каким образом некоторые клетки создают электрические импульсы; эта модель работает, как маленькая батарея. Такие искусственные клетки могут стать альтернативой традиционным твердотельным источникам энергии.

Синтетические клетки, созданные сотрудником NIST Дэвидом Лавэном (David LaVan) и его коллегами, представляют собой окруженные липидной оболочкой капли водно-солевого раствора, содержащего ионы калия и хлора. Молекулы липидов примечательны тем, что один конец молекулы притягивается к молекулам воды, другой конец их отталкивает. Когда две такие клетки соприкасаются друг с другом, гидрофобные концы липидов на внешней стороне клетки реагируют друг на друга, образуя стабильную двуслойную перегородку, разделяющую содержимое клеток — точно так же, как это делают настоящие клеточные мембраны.

Однако этим работа исследователей отнюдь не исчерпывается. Они внесли в двуслойную перегородку модифицированный белок — альфа-гемолизин, производимый бактерией Staphylococcus aureus. Эти добавленные белки создают в перегородке поры, способные пропускать ионы туда и обратно — точно так же, как поры в биологической клетке.

Таким образом, либо положительные, либо отрицательные ионы могут преодолевать перегородку, создавая электрический потенциал, — пишет Лавэн. — Пользуясь этим потенциалом, мы можем получить электрический ток».

Если растворы в двух клетках изначально обладают разными концентрациями, то, введя в клетки металлические электроды, мы получим настоящий гальванический элемент. Компенсируя ток ионов через каналы, в соединяющем электроды проводнике возникнет электрический ток. Постепенно концентрации ионов в клетках уравняются — система разрядится.

По мнению Лавэна, создание искусственных копий сложных клеток — например, клеток электрического угря, позволяющих ему оглушать добычу электрическим импульсом — пока что слишком сложная задача. Пока что ученые заняты исследованием построенной ими простейшей системы, работу которой удобно изучать именно в силу минимального набора элементарных свойств — таких, как размер капель, концентрации водных растворов и количества ионных каналов в перегородке между клетками.

Миниатюрная батарея из двух искусственных клеток, содержащая всего 200 нанолитров раствора, способна поддерживать электрический ток в течение почти 10 минут. Большая по размерам система, содержащая порядка 11 микролитров, продержалась более четырех часов. По соотношению производимой энергии и данного объема биологические батареи в двадцать раз менее эффективны, чем традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы. Но в отношении денежной стоимости превращения химической энергии в электрическую искусственные клетки уже вполне сравнимы с твердотельными устройствами, превращающими тепло, свет или механическое напряжение в электричество — таким образом, рано или поздно синтетические клетки могут занять их место в инструментарии нанотехнологий.