معلومة

أ 9. تحويل الطاقة في الخلايا الأولية - علم الأحياء

أ 9. تحويل الطاقة في الخلايا الأولية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

بالإضافة إلى الجزيء الجيني وغشاء شبه نافذ ، يجب أن يكون هناك مصدر للطاقة لدفع العمليات داخل الخلايا. يتم التقاط الطاقة المنبعثة من نمو الغشاء جزئيًا في تكوين التدرج البروتوني ، كما هو موضح في الشكل أدناه.

سرعان ما يثبط التدرج البروتوني تكوينه الخاص حيث أن الحركة الإضافية للبروتونات في الخلية ستضعف من خلال إمكانات الغشاء الإيجابية ما لم تتحرك الأيونات المعدنية بالداخل للخارج. بالإضافة إلى ذلك ، سينهار التدرج اللوني بعد توقف النمو. قام الباحثون بعمل حويصلات للأحماض الدهنية في وجود محاليل منظمة pH 8.5 والتي تم تعديل درجة حموضتها باستخدام هيدروكسيد فلز قلوي. تم تقليل الأس الهيدروجيني الخارجي إلى 8.0 ، مما أدى إلى تدرج تركيز بروتون بمقدار 0.5 وحدة. (تم قياس التغيرات في الأس الهيدروجيني داخل المثانة باستخدام فلوروفور حساس للأس الهيدروجيني ، HPTS.) ستحدث الحركة الداخلية للبروتونات أسفل تدرج التركيز ، كما هو موضح في الشكل أدناه ، مع مرور الوقت ، مما يؤدي إلى انهيار تدرج التركيز المفروض.

مع حويصلات الأحماض الدهنية ، انهار هذا التدرج الاصطناعي لدرجة الحموضة بسرعة ، مما يشير إلى أن نفاذية الحويصلة للبروتونات كانت عالية. كان المعدل مرتفعًا جدًا بالنسبة للانتشار البسيط للقلب. يبدو أن الحركة الداخلية للبروتونات يتم تسهيلها من خلال الحركة الخارجية للأيونات M +. كان معدل اضمحلال تدرج البروتون أسيًا ، وتم تحديد ثابت معدل الترتيب الأول الناتج بسهولة. انخفض الرسم البياني لثابت المعدل لانهيار تدرج الأس الهيدروجيني مقابل نصف القطر الأيوني غير المنحل لـ M + مع زيادة نصف القطر (أي kNa> kK> KRb> KCs ، مما يشير إلى أن تدرج الأس الهيدروجيني سيكون أكثر استقرارًا إذا تم تغليف الكاتيونات الكبيرة أو غير المنفذة أو المحاصرة. عندما تم تصنيع الحويصلات باستخدام Arg + المغلف ، فإن تدرج الأس الهيدروجيني المفروض لا ينهار لساعات.إذا تمت إضافة مذيلات حمض الأوليك إلى حويصلات حمض الأوليك مع Arg + مغلف ، مع عدم وجود تدرج أس الهيدروجيني الاصطناعي عبر الغشاء ، فإن الحويصلة تنمو مع ما يصاحب ذلك من حركة البروتونات في الحويصلة ، مما ينتج عنه تدرج في درجة الحموضة 0.3 في غضون ثوان.

تُظهر هذه التجارب أن نمو الغشاء وتخزين الطاقة يمكن أن يقترن ، ويمكن أن يؤدي التركيب الصحيح للمادة المغلفة إلى تدرج مستقر للأس الهيدروجيني عبر الغشاء ، وهو مصدر للطاقة لدفع العمليات البيولوجية. حتى أنه يشير إلى أن بوليانيون الشحنة سيكون مفيدًا كناقل جيني.

المساهمون

  • البروفيسور هنري جاكوبوسكي (كلية سانت بنديكت / جامعة سانت جون)

تبدأ الخلايا الأولية في العمل

نشر فريق من العلماء الدوليين بقيادة جامعة بريستول المهتمين بالتقنيات الأولية ، اليوم بحثًا يمهد الطريق لبناء أجهزة جديدة شبه مستقلة مع تطبيقات محتملة في الروبوتات اللينة المصغرة والاستشعار الدقيق والهندسة الحيوية.

المشغلات الدقيقة هي الأجهزة التي يمكنها تحويل الإشارات والطاقة إلى حركة مدفوعة ميكانيكيًا في هياكل صغيرة الحجم وهي مهمة في مجموعة واسعة من التقنيات الدقيقة المتقدمة.

عادة ، تعتمد المشغلات الدقيقة على التغيرات الخارجية في الخواص السائبة مثل الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة لإحداث تحولات ميكانيكية قابلة للتكرار. الآن ، في دراسة جديدة نُشرت اليوم في كيمياء الطبيعة، البروفيسور ستيفن مان من كلية الكيمياء بجامعة بريستول & # 8217s ، ومركز ماكس بلانك بريستول لبيولوجيا الحد الأدنى مع الزملاء الدكتور نينغ جاو ، مي لي ، ليانغفي تيان ، أفيناش باتيل وبافان كومار في مركز بريستول لأبحاث بروتوليف. نهج جديد يستخدم التغييرات الداخلية كمحفز للحركة القائمة على الإشارة.

في سلسلة من التجارب ، نجح الباحثون في دمج عشرات الآلاف من الكيانات الشبيهة بالخلايا الاصطناعية (الخلايا الأولية) داخل خيوط حلزونية من هيدروجيل متعدد السكاريد لإنتاج نوابض صغيرة قائمة بذاتها يتم تشغيلها كيميائيًا من الداخل.

قام الفريق أولاً بتحميل الخلايا الأولية باليورياز & # 8211 وهو إنزيم يولد أيونات الكربونات عند تزويده باليوريا & # 8211 ثم التقط الخلايا الاصطناعية في نفاثة ملتوية من هيدروجيل ألجينات الكالسيوم باستخدام جهاز ميكروفلويديك محلي الصنع.

اكتشفوا أن الخيوط الحلزونية تبدأ في الانكماش في الماء عند تشغيل اليورياز ، وأن سرعة الامتداد الطولي تزداد مع هروب المزيد من أيونات الكربونات من الخلايا الأولية إلى الهيدروجيل المحيط.

ارتبط اقتران النشاط الكيميائي الداخلي بالحركة الميكانيكية بفك الروابط المتقاطعة في الهيدروجيل بسبب إزالة أيونات الكالسيوم عن طريق تكوين جزيئات كربونات الكالسيوم في الموقع ، مما أدى إلى بطء إطلاق الطاقة المرنة في الزنبرك. المجهرية.

على العكس من ذلك ، فإن استعادة أيونات الكالسيوم عن طريق إذابة جزيئات كربونات الكالسيوم باستخدام مجموعة ثانية من الخلايا الأولية المنتجة للحمض المحتوية على الجلوكوز أوكسيديز الموضوعة خارج الخيوط عكس عملية فك اللفافة وإعادة إنشاء الدرجة الحلزونية الأصلية للينابيع القائمة بذاتها.

بناءً على هذه الملاحظات ، استخدم الباحثون خيوط الخلية الأولية الحلزونية كعمود محرك لأداء الأعمال الميكانيكية التي تعمل بالطاقة الأولية. لهذا ، قاموا بتوصيل خلية أولية واحدة & # 8220giant & # 8221 في كل طرف من نهايات الهيدروجيل الملفوف واستغلوا الدمبل الصغيرة كمشغلات صغيرة قائمة بذاتها (انظر الصورة). كان نشاط اليورياز في الخليتين الأوليين العملاقين كافياً لإحداث تمدد جانبي للدمبل. يمكن تقليص الحركة إذا احتوت إحدى الخلايا الأولية العملاقة المتصلة على الجلوكوز أوكسيديز ، والذي يعمل على استعادة الكالسيوم المفقود في موصل الهيدروجيل. وبهذه الطريقة ، يمكن برمجة مجموعة من الأنماط المختلفة للتنقل الكيميائي الميكانيكي في المشغلات الدقيقة عن طريق المعالجة الداخلية للإشارات الكيميائية.

قال البروفيسور ستيفن مان ، المدير المشارك لمركز ماكس بلانك بريستول للبيولوجيا الدنيا (MPBC) في بريستول: & # 8220 لدينا اهتمام طويل بالتقنيات الأولية. يتمثل أحد التحديات الرئيسية في كيفية ربط مجتمعات الخلايا الأولية ببيئتها لإنتاج علاقات وظيفية. يوفر العمل الجديد خطوة في هذا الاتجاه لأنه يوضح كيف يمكن أن تقترن العمليات الكيميائية الداخلية بمحيطها النشط لإنتاج نظام كيميائي ميكانيكي صغير قابل للبرمجة & # 8221.

أضاف الدكتور نينغ جاو ، أيضًا في MPBC وكلية الكيمياء بجامعة بريستول: & # 8220 نأمل أن يحفز نهجنا تصنيع أنواع جديدة من الهياكل الدقيقة التكيفية اللينة التي تعمل عبر مستويات متزايدة من الاستقلالية. & # 8221

ورق:
& # 8220 النقل الكيميائي بوساطة في الميكروكتورات القائمة على الخلايا الأولية ، & # 8217 بواسطة Gao N ، و Li M ، و Tian L ، و Patil A J ، و Kumar P B V V S ، و Mann S in كيمياء الطبيعة.


تولد مراكز التفاعل الضوئي عالية التوجه تدرجًا بروتونيًا في الخلايا الأولية الاصطناعية

التمثيل الضوئي مسؤول عن التحويل الكيميائي الضوئي للضوء إلى طاقة كيميائية تغذي كوكب الأرض. الجوهر الكيميائي الضوئي لهذه العملية في جميع الكائنات الضوئية هو بروتين عبر الغشاء يسمى مركز التفاعل. في بكتيريا التمثيل الضوئي الأرجواني ، تحفز نسخة بسيطة من هذا الإنزيم الضوئي اختزال جزيء الكينون ، مصحوبًا بامتصاص بروتونين من السيتوبلازم. ينتج عن هذا إنشاء تدرج تركيز البروتون عبر الغشاء الدهني ، والذي يمكن تسخيره في النهاية لتخليق ATP. نوضح هنا أن الخلايا الأولية الاصطناعية ، القائمة على حويصلات دهنية عملاقة تتضمن مجموعة موجهة من مراكز التفاعل ، قادرة على توليد تدرج بروتون ناتج ضوئيًا عبر الغشاء. تحت الإضاءة المستمرة ، تولد الخلايا الأولية تدرجًا قدره 0.061 وحدة أس هيدروجيني لكل دقيقة ، وهو ما يعادل قوة دافعة بروتون تبلغ 3.6 مللي فولت / دقيقة -1 بشكل ملحوظ ، إعادة التشكيل السهل لمركز التفاعل الضوئي في غشاء الدهون الاصطناعي ، الذي تم الحصول عليه عن طريق نقل القطيرات يمهد الطريق لبناء خلايا أولية جديدة وأكثر وظيفية للبيولوجيا التركيبية.

الكلمات الدالة: حويصلات شحمية عملاقة للخلايا الاصطناعية ، مركز تفاعل ضوئي لنقل الضوء ، بروتون متدرج.

بيان تضارب المصالح

الكتاب تعلن أي تضارب في المصالح.

الأرقام

إعداد GUVs من قبل ...

تحضير GUVs بطريقة نقل القطيرات (48). ( أ ) ماء…

إعادة تركيب المسؤول عن المنسقين المقيمين المعاد تشكيلها ...

إعادة تركيب شحنات RC المعاد تكوينها في حويصلات عملاقة بعد وميض ضوئي مشبع ...

يعمل مخطط RC @ GUVs ضمن ...

مخطط RC @ GUVs يعمل تحت إضاءة الضوء الأحمر. ( أ ) تم إعادة تكوين RC ...

توليد تدرج الأس الهيدروجيني ...

توليد تدرج الأس الهيدروجيني بواسطة RC @ GUVs. ( أ ) قياسات الفلورة بالجملة ...


الهجينة النانوية والبيولوجيا التركيبية

تركز هذه الجهود على المواد المستوحاة من الطبيعة والتي من المحتمل أن تدعم تحويل الطاقة ونقل الطاقة ، بالإضافة إلى فهم آليات الاستشعار البيولوجي في البيئات الشبيهة بالخلايا التي يتم تشغيلها باستخدام المواد النانوية المصممة هندسيًا.

في هذا الجهد ، نقوم بتهجين المعادن والمواد العضوية وأشباه الموصلات والعوازل الكهربائية مع المواد الحيوية لإنشاء مواد metamaterial النانو ذات الخصائص الفريدة. نحن مدفوعون بشكل خاص بالسلوك المفعل بالضوء للبنى النانوية الوظيفية الحيوية لتوصيل الطاقة. وبذلك يكون المستخدمون قادرين على الوصول إلى إمكانات التوليف والتصنيع ثم الربط بالمجهرات الطيفية المتقدمة والميكروسكوبات تحت سقف واحد.

لقد طورنا أيضًا قدرات البيولوجيا التركيبية لإنشاء نماذج أولية للخلايا الاصطناعية (الخلايا الأولية) حيث نقوم بتجميع كتل البناء البيولوجية في مفاعلات نانوية مصغرة تُظهر سلوكًا ينشط بالضوء. نستخدم بشكل عام لبنات بناء مماثلة لتلك الموجودة في الطبيعة ، حيث تحقق نظائر الميتالوبورفيرين عمليات بيولوجية حيوية. على وجه الخصوص ، تشمل هذه الوظائف التي تنطوي على وظائف الطاقة مثل التمثيل الضوئي (الكلوروفيل) ، ونقل الأكسجين (الهيموغلوبين) وتنشيط الأكسجين (السيتوكروم). يمكن أيضًا إدخال المواد الهجينة المستوحاة بيولوجيًا في الآلات الخلوية لإطلاق وتنبيه المسارات الكيميائية الحيوية من خلال التنشيط عن بُعد. تخلق هذه القدرات التركيبية فرصًا جديدة للمستخدمين في مجالات متنوعة مثل التحفيز في مواد الشفاء الذاتي ، والاستشعار الكيميائي والبيولوجي ، ونقل الطاقة المتماسك في أنظمة المحاكاة الحيوية ، والتقنيات الطبية.


كشف التكيف في مسارات حقيقية النواة: دروس من الخلايا الأولية

تعمل مسارات التكيف حقيقية النواة في ظروف بيئية واسعة النطاق دون تشبع التحفيز. على الرغم من الاختلافات العديدة في آليات التكيف التي تستخدمها البكتيريا وحقيقيات النوى ، تتطلب جميعها استهلاك الطاقة. هنا ، نقدم نموذجين أدنى يوضحان أن إنفاق الخلية للطاقة ليس ضروريًا للتكيف. يشترك كلا النموذجين في ميزات مهمة مع الخلايا حقيقية النواة الكبيرة: فهي تستخدم جزيئات صغيرة قابلة للانتشار وتتضمن وحدات فرعية للمستقبلات تشبه شلالات البروتين G المحفوظة بشكل كبير. يساعدنا تحليل عيوب هذه النماذج على فهم فوائد استهلاك الطاقة ، من حيث قابلية ضبط الاستجابة وأوقات التكيف وكذلك الفصل بين الاستشعار الخلوي الخارجي والإشارات الداخلية للخلية. وهكذا فإن عملنا يلقي ضوءًا جديدًا على تطور آليات التكيف في الأنظمة المعقدة.

بيان تضارب المصالح

وقد أعلن الباحثون إلى أن لا المصالح المتنافسة موجودة.

الأرقام

الشكل 1. وصف تخطيطي لمسارات التكيف ...

الشكل 1. وصف تخطيطي لمسارات التكيف وخصائصها.

(أ) الانجذاب الكيميائي البكتيري. الجزيئات الجاذبة ...

(أ) الانجذاب الكيميائي البكتيري. ترتبط الجزيئات الجاذبة بالمستقبلات الكيميائية ، والتي تتجمع بسبب بروتين المحول CheW و kinase CheA ، المسؤولة عن فسفرة CheY وبالتالي تنظيم المحركات السوطية. يتوسط كل من CheR و CheB (المنشط بواسطة CheA) التكيف عن طريق مستقبلات methylating و demethylating ، على التوالي. (ب) ديكتيوستيليوم الانجذاب الكيميائي ، فيما يتعلق بإنتاج واستشعار cAMP. بعد ارتباط cAMP بالمستقبل ، ينفصل مركب G-protein ويتم تنشيط بروتين RasG. إن إنزيم adenylyl cyclase (AC) ، ربما من خلال pathway ، يتم تنشيطه ، وينتج cAMP ، الذي يفرز لتجميع الخلايا. يتم أيضًا زيادة تركيز cAMP من خلال ERK2 ، والذي يثبط إنزيم فوسفوديستيراز (PDE) RegA ، والذي بدوره يثبط تحلل cAMP. يتم منع هذا المسار بواسطة PKA ، الذي يتم تنشيطه بواسطة cAMP ، ،. (ج) نقل الصور. ينشط الضوء رودوبسين () وبعد سلسلة البروتين G ، يتحلل الفوسفوديستراز المائي cGMP. في مستويات PDE المنخفضة (في الظلام) ، يسمح cGMP بتدفق من خلال القنوات ذات النوكليوتيدات الحلقية (CNGC). التكيف بوساطة حلقات التغذية الراجعة المستقلة: تثبيط GC ، فسفرة و CNGC. (د) التنبيغ الشمي. ترتبط الرائحة بمستقبلات الشم المقترنة بالبروتين G ، مما يؤدي إلى تنشيط AC لإنتاج cAMP ، مما يتسبب في فتح CNGC. تدفق يفتح قنوات الكلوريد لتضخيم الإشارة. العديد من - آليات التغذية الراجعة المستقلة تتوسط التكيف: تثبيط AC و CNGC و cAMP. (اللوحة المركزية) استجابة نظام التكيف لحافز الخطوة ، والميزات المميزة التي تم النظر فيها هنا ، مع و .

الشكل 2. نماذج التكيف الدنيا.

الشكل 2. نماذج التكيف الدنيا.

(أ) نموذج مكون واحد. (يسار) المستقبل على غشاء الخلية ...

(أ) نموذج مكون واحد. (يسار) يحتوي المستقبِل الموجود على غشاء الخلية على موقعين مرتبطين بالرابط ، أحدهما إضافي والآخر داخل الخلايا. عند ارتباط الترابط خارج الخلية ، فإن المستقبلات إشارات ، ولكنها تتوقف عندما يتغلغل الترابط في الغشاء ويرتبط داخل الخلايا بالمستقبل. (يمين) رسم تخطيطي لحلقة التغذية الأمامية غير المتماسكة المقابلة مع الأنواع الوسيطة البطيئة تتوسط في التكيف. (ب) نموذج مكون من عنصرين. (يسار) المكون الأول عبارة عن مستقبل ، يشتمل على موقع ارتباط خارج الخلية للرابط ، ومجال داخل الخلايا به وحدتان فرعيتان ، و ، ملزمة. المكون الثاني مسؤول عن إشارات المصب. عندما يتم تحفيز المستقبل (على سبيل المثال بواسطة يجند أو ضوء) و يتم تحرير الوحدات الفرعية وتنتشر نحو المكون الثاني. منذ انتشار أسرع من , يرتبط أولاً بالمكون الثاني ، والذي يبدأ في إرسال الإشارات حتى يرتب. (يمين) رسم تخطيطي لحلقة التغذية الأمامية غير المتماسكة المقابلة مع نوعين وسيطين و . صنف ينتشر بشكل أبطأ من ويتوسط التكيف.

الشكل 3. تنفيذ النماذج الدنيا ...

الشكل 3. تنفيذ النماذج الدنيا في الخلايا الأولية.

(أ) نموذج مكون واحد ، مع و ال…

(أ) نموذج مكون واحد ، مع و التركيزات خارج الخلية وداخل الخلايا ، نصف قطر الخلية و طول المستقبلات. (ب) نتائج المحاكاة للنموذج المكون من عنصر واحد تظهر الدورات الزمنية للتحفيز (يسار) ، تركيزات داخلية (وسط) ، ونشاط (يمين) لأطوال مستقبلات نسبية مختلفة ، مع , , و . (ج) نموذج مكون من عنصرين ، مع طول المكون الثاني. (د) نتائج المحاكاة للنموذج المكون من عنصرين. يظهر التركيز الخارجي (المحور الأيسر) ونشاط المستقبل الأول (المحور الأيمن) (يسار) ، و نسبة التركيز مرتبطة بالمكون الثاني (وسط) ، ونشاط المكون الثاني (يمين) لأطوال مستقبلات نسبية مختلفة ، مع , و , , ، و .

الشكل 4. مقارنة معدلات تبديد الطاقة.

الشكل 4. مقارنة معدلات تبديد الطاقة.

(أ) نموذج مكون واحد استجابة لحافز الخطوة ...

(أ) نموذج مكون واحد استجابة لحافز الخطوة الموضح في الشكل الداخلي ، مع تغيير خطوة التركيز من 1 إلى 1.5 ملي مولار. (ب) قيمة الحالة الثابتة لنموذج الانجذاب الكيميائي البكتيري (BC) الموصوف في أساليب وملفات تعريف النشاط المقابلة (أقحم). جزء التوازن (المعلمة في الشكل الداخلي) يمثل نسبة مساهمات التوازن وعدم التوازن (انظر أساليب ).

الشكل 5. التوازن مقابل عمليات عدم التوازن في ...

الشكل 5. التوازن مقابل عمليات عدم التوازن في التكيف.

(أ) نموذج الانجذاب الكيميائي البكتيري مع نشاطين ...

(أ) نموذج الانجذاب الكيميائي البكتيري مع حالتي نشاط ( و 1). من أجل التبسيط ، يتم عرض مجموعة ميثيل واحدة (الماس الأخضر) ، تمت إضافتها بواسطة CheR وإزالتها بواسطة CheB. يمثل السهم الأحمر الدورة غير المجدية التي تتم عند تكييفها. (ب) نموذج مكون واحد مع حالات مستقبلات مختلفة. تدفق و هروب رأس المال وصف الدخول والخروج المستمر للرابط ، والقرص الأخضر يمثل ليجند مرتبط داخليًا (لا يظهر الرابط الخارجي). عند تكييفها ، تتم معايرة جميع التفاعلات الفردية وتحقيق التوازن التفصيلي. تمثل الأسهم المتقطعة كسر التوازن المفصل استجابةً لزيادة (السهم البرتقالي) أو انخفاض (السهم الأصفر) في تركيز الترابط الخارجي.

الشكل 6. وقت التكيف واكتشاف التغيير القابل للطي.

الشكل 6. وقت التكيف واكتشاف التغيير القابل للطي.

(أ) وقت التكيف للنموذج المكون من عنصر واحد في ...

الشكل 7. الحساسية ووقت الاستجابة وعدم الدقة.

الشكل 7.الحساسية ووقت الاستجابة وعدم الدقة.

(أ) الحساسية ، على النحو المحدد في الشكل 1 ، لـ ...

الشكل 8. استشعار التدرج في المكون الواحد ...

الشكل 8. استشعار التدرج في نموذج مكون واحد.

(أ) داخل الخلايا ( ) وخارج الخلية (...

(أ) داخل الخلايا () وخارج الخلية () تركيز يجند في الطائرة لأوقات مختلفة. في البداية ، تكون التركيزات متجانسة 0.5 ملي مولار. عندما يتم تطبيق التدرج الخطي ، يتم تغيير هذا إلى 0 مم في مؤخرة الخلية عند و 1 مم في مقدمة الخلية في . (ب) دورات تركيز داخلي (أعلى) ونشاط (سفلي) لأطوال مستقبلات مختلفة في مؤخرة الخلية. (ج) الاستشعار الاتجاهي (أعلى) ، على النحو المحدد في المعادلة. (9) ، والاستقطاب (أسفل) لأطوال مستقبلات مختلفة. يُعرَّف الاستقطاب على أنه الفرق بين التراكيز الداخلية في المواضع و ، تم تطبيعه بالتركيز عند . (د) دورات التركيز الداخلي ووقت النشاط لأطوال مختلفة من المستقبلات في مقدمة الخلية. ارى أساليب للحصول على وصف أكثر تفصيلاً.

تبدأ الخلايا الأولية في العمل

"خلايا أولية عملاقة أحادية المحرك تعتمد على الخلية الأولية (باللون الأحمر) تُرى متصلة على طرفي خيوط هيدروجيل نشطة ميكانيكيًا (أخضر)" كيمياء الطبيعة (2021). دوي: 10.1038 / s41557-021-00728-9. الائتمان: إس مان

نشر فريق من العلماء الدوليين بقيادة جامعة بريستول المهتمين بالتقنيات الأولية ، اليوم بحثًا يمهد الطريق لبناء أجهزة جديدة شبه مستقلة مع تطبيقات محتملة في الروبوتات اللينة المصغرة والاستشعار الدقيق والهندسة الحيوية.

المشغلات الدقيقة هي الأجهزة التي يمكنها تحويل الإشارات والطاقة إلى حركة مدفوعة ميكانيكيًا في هياكل صغيرة الحجم وهي مهمة في مجموعة واسعة من التقنيات الدقيقة المتقدمة.

عادة ، تعتمد المشغلات الدقيقة على التغيرات الخارجية في الخواص السائبة مثل الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة لإحداث تحولات ميكانيكية قابلة للتكرار. الآن ، في دراسة جديدة نُشرت اليوم في كيمياء الطبيعة، البروفيسور ستيفن مان من كلية الكيمياء بجامعة بريستول ، ومركز ماكس بلانك بريستول لبيولوجيا الحد الأدنى جنبًا إلى جنب مع الزملاء الدكتور نينج جاو ، مي لي ، ليانجفي تيان ، أفيناش باتيل وبافان كومار في مركز بريستول لأبحاث بروتوليف. النهج الذي يستخدم التغييرات الداخلية كمحفز للحركة القائمة على الإشارة.

في سلسلة من التجارب ، نجح الباحثون في دمج عشرات الآلاف من الكيانات الشبيهة بالخلايا الاصطناعية (الخلايا الأولية) داخل خيوط حلزونية من هيدروجيل متعدد السكاريد لإنتاج نوابض صغيرة قائمة بذاتها يتم تشغيلها كيميائيًا من الداخل.

قام الفريق أولاً بتحميل الخلايا الأولية باليورياز - وهو إنزيم يولد أيونات الكربونات عند إمدادها باليوريا - ثم التقط الخلايا الاصطناعية في نفاثة ملتوية من هيدروجيل ألجينات الكالسيوم باستخدام جهاز ميكروفلويديك محلي الصنع.

اكتشفوا أن الخيوط الحلزونية تبدأ في الانكماش في الماء عند تشغيل اليورياز ، وأن سرعة الامتداد الطولي تزداد مع هروب المزيد من أيونات الكربونات من الخلايا الأولية إلى الهيدروجيل المحيط.

ارتبط اقتران النشاط الكيميائي الداخلي بالحركة الميكانيكية بفك الروابط المتقاطعة في الهيدروجيل بسبب إزالة أيونات الكالسيوم عن طريق تكوين جزيئات كربونات الكالسيوم في الموقع ، مما أدى إلى بطء إطلاق الطاقة المرنة في الزنبرك. المجهرية.

على العكس من ذلك ، فإن استعادة أيونات الكالسيوم عن طريق إذابة جزيئات كربونات الكالسيوم باستخدام مجموعة ثانية من الخلايا الأولية المنتجة للحمض المحتوية على الجلوكوز أوكسيديز الموضوعة خارج الخيوط عكس عملية فك اللفافة وإعادة إنشاء الدرجة الحلزونية الأصلية للينابيع القائمة بذاتها.

بناءً على هذه الملاحظات ، استخدم الباحثون خيوط الخلية الأولية الحلزونية كعمود محرك لأداء الأعمال الميكانيكية التي تعمل بالطاقة الأولية. لهذا ، قاموا بتوصيل خلية أولية "عملاقة" واحدة في كل طرف من طرفي الهيدروجيل الملفوف واستغلوا الدمبل الصغيرة كمشغلات صغيرة قائمة بذاتها (انظر الصورة). كان نشاط اليورياز في الخليتين الأوليين العملاقين كافياً لإحداث تمدد جانبي للدمبل. يمكن تقليص الحركة إذا احتوت إحدى الخلايا الأولية العملاقة المتصلة على الجلوكوز أوكسيديز ، والذي يعمل على استعادة الكالسيوم المفقود في موصل الهيدروجيل. وبهذه الطريقة ، يمكن برمجة مجموعة من الأنماط المختلفة للتنقل الكيميائي الميكانيكي في المشغلات الدقيقة عن طريق المعالجة الداخلية للإشارات الكيميائية.

قال البروفيسور ستيفن مان ، المدير المشارك لمركز ماكس بلانك بريستول للبيولوجيا الدنيا (MPBC) في بريستول: "لدينا اهتمام طويل الأمد بالتقنيات الأولية. أحد التحديات الرئيسية هو كيفية ربط مجتمعات الخلايا الأولية ببيئتها لإنتاج علاقات وظيفية يقدم العمل الجديد خطوة في هذا الاتجاه لأنه يوضح كيف يمكن أن تقترن العمليات الكيميائية الداخلية بمحيطها النشط لإنتاج نظام كيميائي ميكانيكي صغير قابل للبرمجة ".

وأضاف الدكتور نينغ جاو ، أيضًا في MPBC وكلية الكيمياء بجامعة بريستول: "نأمل أن يحفز نهجنا تصنيع أنواع جديدة من الهياكل الدقيقة التكيفية اللينة التي تعمل عبر مستويات متزايدة من الاستقلالية."


تبدأ الخلايا الأولية في العمل

& # 8220 خلايا أولية عملاقة أحادية المحرك تعتمد على خلايا بروتوسيل (حمراء) مثبتة على طرفي خيوط هيدروجيل نشطة ميكانيكيًا (أخضر) & # 8221 كيمياء الطبيعة (2021). دوي: 10.1038 / s41557-021-00728-9. الائتمان: إس مان

نشر فريق من العلماء الدوليين بقيادة جامعة بريستول المهتمين بالتقنيات الأولية ، اليوم بحثًا يمهد الطريق لبناء أجهزة جديدة شبه مستقلة مع تطبيقات محتملة في الروبوتات اللينة المصغرة والاستشعار الدقيق والهندسة الحيوية.

المشغلات الدقيقة هي الأجهزة التي يمكنها تحويل الإشارات والطاقة إلى حركة مدفوعة ميكانيكيًا في هياكل صغيرة الحجم وهي مهمة في مجموعة واسعة من التقنيات الدقيقة المتقدمة.

عادة ، تعتمد المشغلات الدقيقة على التغيرات الخارجية في الخواص السائبة مثل الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة لإحداث تحولات ميكانيكية قابلة للتكرار. الآن ، في دراسة جديدة نُشرت اليوم في كيمياء الطبيعة، البروفيسور ستيفن مان من كلية الكيمياء بجامعة بريستول & # 8217s ، ومركز ماكس بلانك بريستول لبيولوجيا الحد الأدنى مع الزملاء الدكتور نينغ جاو ، مي لي ، ليانغفي تيان ، أفيناش باتيل وبافان كومار في مركز بريستول لأبحاث بروتوليف. نهج جديد يستخدم التغييرات الداخلية كمحفز للحركة القائمة على الإشارة.

في سلسلة من التجارب ، نجح الباحثون في دمج عشرات الآلاف من الكيانات الشبيهة بالخلايا الاصطناعية (الخلايا الأولية) داخل خيوط حلزونية من هيدروجيل متعدد السكاريد لإنتاج نوابض صغيرة قائمة بذاتها يتم تشغيلها كيميائيًا من الداخل.

قام الفريق أولاً بتحميل الخلايا الأولية باليورياز - وهو إنزيم يولد أيونات الكربونات عند إمدادها باليوريا - ثم التقط الخلايا الاصطناعية في نفاثة ملتوية من هيدروجيل ألجينات الكالسيوم باستخدام جهاز ميكروفلويديك محلي الصنع.

اكتشفوا أن الخيوط الحلزونية تبدأ في الانكماش في الماء عند تشغيل اليورياز ، وأن سرعة الامتداد الطولي تزداد مع هروب المزيد من أيونات الكربونات من الخلايا الأولية إلى الهيدروجيل المحيط.

ارتبط اقتران النشاط الكيميائي الداخلي بالحركة الميكانيكية بفك الروابط المتقاطعة في الهيدروجيل بسبب إزالة أيونات الكالسيوم عن طريق تكوين جزيئات كربونات الكالسيوم في الموقع ، مما أدى إلى بطء إطلاق الطاقة المرنة في الزنبرك. المجهرية.

على العكس من ذلك ، فإن استعادة أيونات الكالسيوم عن طريق إذابة جزيئات كربونات الكالسيوم باستخدام مجموعة ثانية من الخلايا الأولية المنتجة للحمض المحتوية على الجلوكوز أوكسيديز الموضوعة خارج الخيوط عكس عملية فك اللفافة وإعادة إنشاء الدرجة الحلزونية الأصلية للينابيع القائمة بذاتها.

بناءً على هذه الملاحظات ، استخدم الباحثون خيوط الخلية الأولية الحلزونية كعمود محرك لأداء الأعمال الميكانيكية التي تعمل بالطاقة الأولية. لهذا ، قاموا بتوصيل خلية أولية واحدة & # 8220giant & # 8221 في كل طرف من نهايات الهيدروجيل الملفوف واستغلوا الدمبل الصغيرة كمشغلات صغيرة قائمة بذاتها (انظر الصورة). كان نشاط اليورياز في الخليتين الأوليين العملاقين كافياً لإحداث تمدد جانبي للدمبل. يمكن تقليص الحركة إذا احتوت إحدى الخلايا الأولية العملاقة المتصلة على الجلوكوز أوكسيديز ، والذي يعمل على استعادة الكالسيوم المفقود في موصل الهيدروجيل. وبهذه الطريقة ، يمكن برمجة مجموعة من الأنماط المختلفة للتنقل الكيميائي الميكانيكي في المشغلات الدقيقة عن طريق المعالجة الداخلية للإشارات الكيميائية.

قال البروفيسور ستيفن مان ، المدير المشارك لمركز ماكس بلانك بريستول للبيولوجيا الدنيا (MPBC) في بريستول: & # 8220 لدينا اهتمام طويل بالتقنيات الأولية. يتمثل أحد التحديات الرئيسية في كيفية ربط مجتمعات الخلايا الأولية ببيئتها لإنتاج علاقات وظيفية. يوفر العمل الجديد خطوة في هذا الاتجاه لأنه يوضح كيف يمكن أن تقترن العمليات الكيميائية الداخلية بمحيطها النشط لإنتاج نظام كيميائي ميكانيكي صغير قابل للبرمجة & # 8221.

أضاف الدكتور نينغ جاو ، أيضًا في MPBC وكلية الكيمياء في جامعة بريستول: & # 8220 نأمل أن يحفز نهجنا تصنيع أنواع جديدة من الهياكل الدقيقة التكيفية اللينة التي تعمل عبر مستويات متزايدة من الاستقلالية. & # 8221

ترتفع الخلايا الأولية التي تعمل بالإنزيم إلى القمة

الاقتباس:
تبدأ الخلايا الأولية بالعمل (2021 ، 24 يونيو)
تم الاسترجاع 25 يونيو 2021
من https://phys.org/news/2021-06-protocells-action.html

هذا المستند عرضة للحقوق التأليف والنشر. بصرف النظر عن أي تعامل عادل لغرض الدراسة أو البحث الخاص ، لا
قد يتم إعادة إنتاج الجزء دون إذن كتابي. يتم توفير المحتوى لأغراض إعلامية فقط.


جامعة بريستول: تبدأ الخلايا الأولية في العمل

المشغلات الدقيقة هي الأجهزة التي يمكنها تحويل الإشارات والطاقة إلى حركة مدفوعة ميكانيكيًا في هياكل صغيرة الحجم وهي مهمة في مجموعة واسعة من التقنيات الدقيقة المتقدمة.

عادة ، تعتمد المشغلات الدقيقة على التغيرات الخارجية في الخواص السائبة مثل الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة لإحداث تحولات ميكانيكية قابلة للتكرار. الآن ، في دراسة جديدة نُشرت اليوم في Nature Chemistry ، البروفيسور ستيفن مان من كلية الكيمياء بجامعة بريستول ، ومركز ماكس بلانك بريستول للبيولوجيا الدنيا جنبًا إلى جنب مع زملائه الدكتور نينغ جاو ، مي لي ، ليانغفي تيان ، أفيناش باتيل وبافان يوضح كومار في مركز بريستول لأبحاث بروتوليف نهجًا جديدًا يستخدم التغييرات الداخلية كمحفز للحركة القائمة على الإشارة.

في سلسلة من التجارب ، نجح الباحثون في دمج عشرات الآلاف من الكيانات الشبيهة بالخلايا الاصطناعية (الخلايا الأولية) داخل خيوط حلزونية من هيدروجيل متعدد السكاريد لإنتاج نوابض صغيرة قائمة بذاتها يتم تشغيلها كيميائيًا من الداخل.

قام الفريق أولاً بتحميل الخلايا الأولية باليورياز - وهو إنزيم يولد أيونات الكربونات عند تزويده باليوريا - ثم التقط الخلايا الاصطناعية في نفاثة ملتوية من هيدروجيل ألجينات الكالسيوم باستخدام جهاز موائع دقيقة مصنوع منزليًا.

اكتشفوا أن الخيوط الحلزونية تبدأ في الانكماش في الماء عند تشغيل اليورياز ، وأن سرعة الامتداد الطولي تزداد مع هروب المزيد من أيونات الكربونات من الخلايا الأولية إلى الهيدروجيل المحيط.

ارتبط اقتران النشاط الكيميائي الداخلي بالحركة الميكانيكية بفك الروابط المتقاطعة في الهيدروجيل بسبب إزالة أيونات الكالسيوم عن طريق تكوين جزيئات كربونات الكالسيوم في الموقع ، مما أدى إلى بطء إطلاق الطاقة المرنة في الزنبرك. المجهرية.

على العكس من ذلك ، فإن استعادة أيونات الكالسيوم عن طريق إذابة جزيئات كربونات الكالسيوم باستخدام مجموعة ثانية من الخلايا الأولية المنتجة للحمض المحتوية على الجلوكوز أوكسيديز الموضوعة خارج الخيوط عكس عملية فك اللفافة وإعادة إنشاء الدرجة الحلزونية الأصلية للينابيع القائمة بذاتها.

بناءً على هذه الملاحظات ، استخدم الباحثون خيوط الخلية الأولية الحلزونية كعمود محرك لأداء الأعمال الميكانيكية التي تعمل بالطاقة الأولية. لهذا ، قاموا بتوصيل خلية أولية "عملاقة" واحدة في كل طرف من طرفي الهيدروجيل الملفوف واستغلوا الدمبل الصغيرة كمشغلات صغيرة قائمة بذاتها (انظر الصورة). كان نشاط اليورياز في الخليتين الأوليين العملاقين كافياً لإحداث تمدد جانبي للدمبل. يمكن تقليص الحركة إذا احتوت إحدى الخلايا الأولية العملاقة المتصلة على الجلوكوز أوكسيديز ، والذي يعمل على استعادة الكالسيوم المفقود في موصل الهيدروجيل. وبهذه الطريقة ، يمكن برمجة مجموعة من الأنماط المختلفة للتنقل الكيميائي الميكانيكي في المشغلات الدقيقة عن طريق المعالجة الداخلية للإشارات الكيميائية.

قال البروفيسور ستيفن مان ، المدير المشارك لمركز ماكس بلانك بريستول للبيولوجيا الدنيا (MPBC) في بريستول: "لدينا اهتمام طويل الأمد بالتقنيات الأولية. يتمثل أحد التحديات الرئيسية في كيفية ربط مجتمعات الخلايا الأولية ببيئتها لإنتاج علاقات وظيفية. يقدم العمل الجديد خطوة في هذا الاتجاه لأنه يوضح كيف يمكن أن تقترن العمليات الكيميائية الداخلية بمحيطها النشط لإنتاج نظام كيميائي ميكانيكي صغير قابل للبرمجة ".

وأضاف الدكتور نينغ جاو ، أيضًا في MPBC وكلية الكيمياء بجامعة بريستول: "نأمل أن يحفز نهجنا على تصنيع أنواع جديدة من الهياكل الدقيقة التكيفية اللينة التي تعمل عبر مستويات متزايدة من الاستقلالية."


تحويل الطاقة في الخلايا الأولية ذات الموصلات النانوية الطبيعية

في حين أن الكثير من تقنيات النانو تستفيد من أجهزة الحالة الصلبة ، فإننا نقدم هنا تحليلًا لتصميمات أجهزة المحاكاة الحيوية الهجينة العضوية وغير العضوية ، "الخلايا الأولية" ، استنادًا إلى تجميعات القنوات الأيونية الطبيعية ومضخات الأيونات ، "الموصلات النانوية" المدمجة في أغشية ثنائية الطبقة الدهنية المركبة . تحاكي هذه الخلايا الأولية مخطط تحويل الطاقة للخلايا الطبيعية وهي قادرة على إخراج الكهرباء مباشرة. تم تحليل الآليات الكهربية وتم تحسين التصميمات باستخدام النماذج العددية. يتم تحديد المعلمات التي تؤثر على تحويل الطاقة ، وتم العثور على حدود لأداء الجهاز باستخدام التحسين العددي. تتم مقارنة الأداء الكهربائي مع التقنيات التقليدية والناشئة ويتم رسمها على مخططات Ragone للسماح بإجراء مقارنات مباشرة. قد تكون تقنيات الخلايا الأولية الملخصة هنا مفيدة لتحويل الطاقة حيث تتوفر تدرجات تركيز أيون واسعة النطاق (مثل تقاطع مصادر المياه العذبة والمالحة) أو الأجهزة الصغيرة حيث تكون كثافة الطاقة المنخفضة مقبولة.

1 المقدمة

الخلايا الأولية هي نسخ تركيبية مبسطة من الخلايا الطبيعية التي يمكن هندستها لوظائف محددة. تتكون تصميمات الخلية الأولية الموصوفة هنا من مكونات جزيئية جيدة التوصيف ويمكن تصميمها لتعظيم تحويل الطاقة [1 ، 2]. تصميمات الخلايا الأولية الخاصة بنا مستوحاة من هياكل الخلايا الطبيعية ، ولكنها ليست نسخة بسيطة من الخلايا الطبيعية. تحتوي هذه الخلايا الأولية على واحدة أو أكثر من طبقات الدهون الثنائية [3-5] ، وهي أغشية من طبقات أحادية متتالية من جزيئات الدهون البرمائية المتكونة من تفاعلات كارهة للماء ، مع الموصلات النانوية المناسبة [1 ، 6-10] لتحقيق أهداف الأداء. يتم تثبيت طبقات الدهون الثنائية ، مثل السيليكا متوسطة المسام [11] أو دعم الألياف النانوية [12]. يمكن أن تكون الموصلات النانوية المدمجة في الأغشية إما طبيعية أو مهندسة [13] بروتينات غشائية ، بما في ذلك القنوات الأيونية ومضخات الأيونات [1 ، 6-10 ، 14] فهي مسؤولة عن تنظيم التدفق الأيوني عبر طبقة الدهون الثنائية. تسمح القنوات للأيونات بالانتقال بشكل سلبي على طول التدرج الكهروكيميائي وقد يتم فتحها وإغلاقها استجابةً للإشارات الكيميائية أو الميكانيكية أو الكهربائية ، بينما تقوم المضخات بتحريك الأيونات بفعالية ضد التدرج الكهروكيميائي ولكنها تتطلب مدخلات طاقة ، على سبيل المثال ، من التحلل المائي ATP [15 ، 16]. تمت دراسة النقل الأيوني على نطاق واسع في سياق علم الأحياء وعلم الأعصاب للخلايا الطبيعية [14 ، 16 ، 17]. تستغل الخلايا الأولية الموصوفة هنا وتوسع آليات تحويل الطاقة الكهربائية الموجودة في الخلايا الطبيعية عن طريق تجميع مجموعات مُحسَّنة من الموصلات النانوية لزيادة إنتاج الطاقة إلى الحد الأقصى.

تعتمد أجهزة تحويل الطاقة الناشئة على عدد لا يحصى من التقنيات ، بما في ذلك مواد الحالة الصلبة القائمة على التأثيرات الكهروحرارية [18-20] ، والكهرباء الانضغاطية [21 ، 22] ، والتأثيرات الكهروضوئية [23 ، 24]. تقوم الأجهزة الكهروحرارية بتحويل التدرج الحراري إلى جهد كهربائي تتطلب هذه الأجهزة مزيجًا غير عادي من الموصلية الكهربائية الجيدة والتوصيل الحراري الضعيف ، على سبيل المثال ، البزموت تيلورايد (Bi2تي3) أو سبائكه مع السيلينيوم [18-20 ، 25 ، 26] لا تزال كفاءة تحويل الطاقة للأجهزة الكهروحرارية منخفضة (& lt10٪) [18 ، 19]. تعمل الأجهزة الكهرضغطية على تحويل الإجهاد الميكانيكي إلى شحنة بناءً على تأثير فصل الشحنة الناتج عن الإجهاد للمواد الكهرضغطية ، مثل بلورات الكوارتز [21 ، 22] أو أسلاك ZnO النانوية [27]. ومع ذلك ، فإن ناتج الطاقة للأجهزة الكهروإجهادية منخفض (10 4 J · m −3) [28 ، 29] هذه الأجهزة يمكنها فقط تلبية التطبيقات ذات استهلاك منخفض جدًا للطاقة (& ltmW) [30 ، 31]. وبالطبع ، تحول الأجهزة الكهروضوئية الطاقة الضوئية إلى كهرباء. تتمتع الأجهزة الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة أحادية الوصلة بكفاءة تحويل طاقة تصل إلى 25٪ [32–34]. تعمل الخلايا الكهروضوئية غير العضوية متعددة الوصلات على تحويل نطاقات أوسع من الطيف المتاح إلى كهرباء وصلت الكفاءة المُبلغ عنها للخلايا متعددة الوصلات 42% [23, 24].

على عكس هذه المواد ذات الحالة الصلبة ، تتمتع المكونات البيولوجية الفردية بكفاءة تحويل طاقة أعلى بشكل ملحوظ. على سبيل المثال ، Na + / K + -ATPase ، مضخة الأيونات الموجودة في كل مكان ، والتي تحافظ على تدرجات Na + و K + للغشاء ، تضخ بفعالية Na + و K + ضد التدرجات الأيونية الخاصة بها بكفاءة 75٪ إلى 80٪ باستخدام الطاقة من ATP التحلل المائي [35 ، 36]. بروتين آخر عبر الغشاء ، F1-ATPase ، يُقال إنه يحول الطاقة المجانية من التحلل المائي ATP إلى دوران F1 محرك بكفاءة قريبة من 100٪ [37-40]. ومع ذلك ، لا يأخذ أي من هذين الرقمين في الاعتبار الخسائر في بقية دورة طاقة ATP.

تعتمد مخططات تحويل الطاقة البيولوجية الحالية عادةً على تكوين منتج وسيط (زيت ، سكر ، إيثانول ، إلخ) يمكن تكريره وحرقه لإنتاج الكهرباء [41 ، 42] مع خسائر كبيرة في هذه الخطوة ، ومع ذلك ، تقوم الخلايا أيضًا بتحويل مادة كيميائية الطاقة مباشرة إلى إمكانات فعلية ، وقد كنا مهتمين باستكشاف هذا النهج "المباشر للكهرباء" الذي يقضي على فقد خلايا الاحتراق / الوقود. على سبيل المثال، Electrophorus electricus يولد الكهرباء للاستشعار في المياه العكرة ، وصعق الفريسة ، وصد الحيوانات المفترسة [43 ، 44]. يمكن أن يولد ثعبان البحر الناضج جهدًا كهربائيًا كبيرًا (دائرة مفتوحة) من 400 فولت إلى 600 فولت [8 ، 44 ، 45] ، مع قمم التيار (دائرة قصر) 1 أ [45 ، 46]. يتم إنتاج الكهرباء من خلال السلوك الجماعي لخلاياها الكهربية ، "الخلايا الكهربية" ، في ظل تزامن الخلايا العصبية الحركية الكهربائية [8 ، 45 ، 47] (الشكل 1 (أ)). تولد الخلية الكهربائية الكهرباء في شكل جهود عمل قد تنتجها كل خلية كهربائية 150 مللي فولت جهد عبر الخلايا مع فترات نموذجية في حدود 3 مللي ثانية [8 ، 45]. تنتج العديد من الخلايا الطبيعية الأخرى إمكانات فعل ذات سعة وفترات متفاوتة. على سبيل المثال ، يولد محور عصبي عملاق للحبار 100 مللي فولت ل 1 مللي ثانية [17 ، 48-52]. يتم تحويل الكهرباء من التدرج الأيوني عبر الغشاء من خلال أغشية الخلايا هذه عن طريق النقل الأيوني المنظم بالبروتين الغشائي [8 ، 17 ، 45].


الآلية الكهربية وأداء الخلية الأولية مع خرج التيار المتردد. (أ) تشريح ثعبان البحر الكهربائي [1]. (ب) و (ج) المنحل بالكهرباء في مرحلة الراحة والمحفز [1].(د) مخرجات الجهد المحسوبة للكهرباء والخلية الأولية الاصطناعية المكونة على النحو الأمثل.

تعتبر الخلايا الأولية الاصطناعية المصممة لتقليد مخططات تحويل الطاقة التي تظهر في الخلايا الكهربية الطبيعية وتعظيمها ، أسلوبًا مثيرًا للاهتمام لتحويل الطاقة الذي يعتمد على التطورات الحديثة في البيولوجيا التركيبية وتكنولوجيا النانو.

2. الآلية الكهربية للخلايا الأولية

في الخلية الكهربائية ، يتم توزيع بروتينات الغشاء الضرورية لتشكيل جهد الفعل بشكل غير متماثل عبر غشاءين أوليين (الشكل 1 (ب)) مفصولة بحاجز عازل [8 ، 43-45]. يُظهر الغشاء غير المُعالج كثافة عالية لمضخات Na + / K + -ATPase وقنوات K + وقنوات Cl ، والتي تحافظ على إمكانية الراحة − 85 مللي فولت [8 ، 45 ، 53]. يحتوي الغشاء المعصب على كثافات عالية من مستقبلات أستيل كولين (AChRs) وقنوات Na + ذات الجهد الكهربائي ، وهي المسؤولة عن تنشيط جهد الفعل (AP) ، وهناك أيضًا مقوم داخلي K + قنوات (Kirs) [8] ، الجهد- قنوات K + المسورة (Kvs) [9] ، وقنوات التسرب [8] على الغشاء المعصب.

عند ربط ناهض كيميائي ، أستيل كولين (ACh) ، تصبح مستقبلات ACh (AChR) قابلة للاختراق إلى كاتيونات الصوديوم والبوتاسيوم. يؤدي فتح AChRs إلى إزالة استقطاب الغشاء المعصب ، مما يزيد من الاحتمال المفتوح لقنوات أيون الصوديوم + ذات الجهد الكهربائي (الشكل 1 (ج)) [6 ، 8 ، 44]. مع تدفق الأيونات الموجبة الشحنة (Na +) إلى الخلية ، تزداد إمكانات الغشاء المعصب بشكل أكبر ، مما يعزز فتح قنوات الصوديوم الإضافية ذات الجهد الكهربائي. ينتج عن هذا الشلال ، حيث تفتح مستقبلات ACh عددًا كبيرًا من قنوات Na + ذات الجهد الكهربائي ، تكوين AP على الغشاء المعصب. يتم إغلاق قنوات المعدل الداخلي K + خلال هذه المرحلة ، مما يسرع من زيادة إمكانات الغشاء. في الذروة ، تكون إمكانات الغشاء المعصب +65 ملي فولت [8 ، 53]. نظرًا لوجود قنوات أيونات الصوديوم + بوابات الجهد الوفير على الغشاء المعصب ، يمكن أيضًا تحفيز الخلية الكهربية كهربائيًا ، أي حقن التيار لإزالة الاستقطاب من الغشاء المعصب [54 ، 55].

لا توجد AChRs أو قنوات أيونات الصوديوم ذات الجهد الكهربائي على الغشاء غير المعقم للكهرباء (الشكل 1 (ج)) [8 ، 45 ، 53]. لذلك ، فإن هذا الغشاء غير قادر على الاستجابة لأي منبهات كيميائية أو كهربائية. تظل إمكانات الغشاء غير المحصنة − 85 mV بسبب أنشطة ATPase و K + و Cl - قناة [8 ، 45 ، 53]. في ذروة جهد الفعل ، يصل الغشاء المعصب إلى +65 mV من إمكانات الغشاء مما يؤدي إلى المجموع خرج جهد 150 مللي فولت عبر كل خلية كهربائية (الشكل 1 (ج)) [8 ، 45 ، 53]. يتم تلخيص هذا الجهد العابر للخلايا بالتوصيل التسلسلي للعديد من الخلايا الكهربية. لكي يولد ثعبان السمك الكهربائي 600 فولت يجب أن يكون هناك ما لا يقل عن 4000 طبقة من الخلايا الكهربية المتصلة في سلسلة [53]. في كل طبقة ، يتم توصيل العديد من الخلايا الكهربية بالتوازي لزيادة التيار (الشكل 1 (أ)). تفصل الحاجز العازل ، المكون من أنسجة ضامة كثيفة [44 ، 56] الغشاء المعصب عن الغشاء غير المعقم ويمنع الشحنة الكهربائية من قصر الدائرة داخل السمكة (الشكل 1 (أ)).

بعد ذروة جهد الفعل ، يتم إعادة استقطاب الغشاء المعصب مع تعطيل قنوات الصوديوم [6] وفتح قنوات المعدل الداخلي وقنوات K ذات الجهد الكهربائي [8 ، 9]. كما يسرع تدفق أيون التسرب من استعادة إمكانات الغشاء إلى حالة الراحة [57].

أثناء جهد الفعل ، يحدث تدفق كبير للأيونات من خلال القنوات الأيونية المفتوحة ، مما ينتج عنه صافي تيار كهربائي (تدفق شحنة كهربائية) من الغشاء المعصب إلى الغشاء غير المعقم. يتم الحفاظ على تدرج تركيز الأيونات الضروري من خلال العمل البطيء والثابت لمضخات الأيونات ، Na + / K + -ATPase ، بالاعتماد على الطاقة من التحلل المائي ATP [35 ، 36 ، 58].

قد تحاكي الخلية الأولية ، مع نفس تكوين القنوات / المضخات الأيونية مثل الخلايا الكهربية الطبيعية ، الآلية الكهربية لثعبان السمك الكهربائي الطبيعي. تنتج مثل هذه الخلية الأولية الكهرباء في شكل جهد فعل ، أي ناتج تيار متناوب (AC). يتم إنشاء التدرج الأيوني في هذه الخلية الأولية ، ويمكن إعادة شحنها ، بواسطة مضخات الأيونات التي تعمل بالوقود ATP ، على سبيل المثال ، Na + / K + -ATPase [35 ، 36 ، 58]. إذا تم إضافة مكونات جزيئية أخرى ، مثل بكتيريورودوبسين و

synthase [59-62] ، يمكن إعادة شحن هذه الخلية الأولية بواسطة الطاقة الضوئية.

تتطلب الخلية الأولية القابلة لإعادة الشحن مع خرج التيار المتردد تفاعلات منسقة على مستوى النظام لأنواع متعددة من القنوات الأيونية ونوع واحد على الأقل من مضخات الأيونات [1]. النسخة المبسطة ، التي يتم تقليصها إلى نوع واحد فقط من القنوات الأيونية (أو القناة التماثلية) تفتقر إلى القدرة على إعادة الشحن ، ولكن سيكون من الأسهل تصنيعها ويمكن تحويل تدرج تركيز أيون حالي إلى تيار مستمر ، كما هو موضح في الشكل 2 (أ) .


(أ)
(ب)
(ج)
(أ)
(ب)
(ج) الآلية الكهربية وأداء الخلية الأولية مع خرج التيار المستمر. (أ) التخطيطي لهذه الخلية الأولية (غير مرسومة بمقياس) [2] (ب) الصورة المجهرية لهيكل هذه الخلية الأولية (شريط المقياس: 1 مم) (ج) ناتج الجهد المحسوب لهذه الخلية الأولية باستخدام الكاتيون- قناة انتقائية (معالج G133C MTSES α-HL mutant) ، بناءً على معلمات القناة المنشورة [63]. خرج الجهد الكلي (

) مع مساهمة النقل الأيوني عبر القنوات (

) والمساهمات من الأقطاب الكهربائية (

يتكون مخطط واحد لخلية أولية ذات ناتج DC من قطرتين من الماء بتركيزات أولية مختلفة من الملح ، معلقة في حامل غير قابل للامتزاج ، مثل خليط من الزيت والدهون. بسبب التفاعلات الكارهة للماء ، يتم تغطية سطح قطرة الماء بطبقة أحادية من الدهون عند ملامسة قطرتَي الماء ، وتتشكل طبقة ثنائية الدهون عند واجهة قطرتَي الماء (كما هو موضح في الشكل 2 (أ)) ) [64-68]. يمنع وجود الطبقة الثنائية دمج قطري الماء (الشكل 2 (ب)). إذا تم إدخال قناة انتقائية للأيونات (أو تناظرية اصطناعية) في الواجهة ، فسوف تتدفق الأيونات من القطرة عالية التركيز إلى القناة منخفضة التركيز.

القنوات الأيونية الطبيعية ليست مستقرة جدًا ، نظائرها في القنوات الاصطناعية ، مثل المكورات العنقودية الذهبية-هيموليسين (α-HL) ، هي منصات مفيدة للاتصال بأداء القناة المطلوب. النوع البري α- HL هو عادةً انتقائي ضعيف للأنيون [69 ، 70] ويمكن أيضًا جعل الكاتيون انتقائيًا عن طريق هندسة البروتين مع أو بدون تعديل كيميائي إضافي [63 ، 71] على سبيل المثال ، 2-sulfonatoethyl methanethiosulfonate- (MTSES-) تم معالجة طفرة G133C ذكرت مع انتقائية الكاتيون 170 (

عندما يتم إدخال قنوات انتقائية الكاتيون في الطبقة الثنائية عند واجهة قطرتين (الشكل 2 (أ)) ، سيكون هناك نقل أيوني غير متوازن ، مما يؤدي إلى فصل الشحنات بين القطرات. ينتج عن فصل الشحنة هذا فرق جهد. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا للأنشطة الكيميائية المختلفة للأقطاب الكهربائية المغمورة في القطرات بتركيزات مختلفة من الأملاح [72 ، 73] ، تساهم تفاعلات القطب أيضًا في فرق الجهد. ناتج الجهد الكلي لمثل هذا النظام هو مزيج من المساهمات من النقل الأيوني الانتقائي وتفاعلات القطب في الحلول المختلفة. يمكن للمخرج تشغيل دائرة خارجية ، على غرار المقاوم (R) ، كما هو موضح في الشكل 2 (أ).

3. الأداء الكهربائي للخلايا الأولية

قبل الشروع في تصميم خلية كهربائية اصطناعية ، طورنا نموذجًا كميًا (كما هو موضح في [1]) لوصف الآلية الكهربية في الخلية الكهربية الطبيعية Electrophorus electricus ولتقييم تأثير المعلمات الجزيئية على الأداء الكهربائي للخلية ، عمل النموذج العددي لتوجيه تصميم الخلية الأولية لتحسين الأداء الكهربائي.

للتلخيص بإيجاز ، تم وصف التيار الأيوني عبر الغشاء المعصب للكهرباء (الشكل 1 (ب)) بواسطة نموذج هودجكين هكسلي [17] ، مع التيارات عبر قنوات AChR و Kir & # 13

& # 13 أين التيار من خلال الغشاء المعصب ، هو سعة الغشاء ، وإمكانات الغشاء.

هو الحد الأقصى للتوصيل لقناة K + ذات الجهد الكهربائي ، ويحدد الاحتمال المفتوح لقناة K + ، وهو احتمال توازن أيونات K +

وهي قنوات Na + ، وتتحكم في تنشيط قنوات Na + ، وتحدد تعطيل قنوات Na +.

هو توصيل قناة التسرب وهو الاحتمال الذي يكون فيه تيار التسرب صفراً. هو التيار عبر قنوات المعدل الداخلي. هو التيار من خلال AChR.

توجد قنوات K + و Cl - ion بالإضافة إلى Na + / K + -ATPase على الغشاء غير المعزز. التيار الأيوني عبر القناة الأيونية في الغشاء غير المعقم (الشكل 1 (

)) في معادلة جولدمان-هودجكين-كاتز الحالية [6] ، والتي تصور التيار عبر قناة كدالة لإمكانات الغشاء وتدرج الأيونات. تم تصميم النقل النشط للأيونات بواسطة Na + / K + -ATPase على الغشاء غير المعقم باستخدام حركيات Michaelis-Menten بمعدل ثلاثة أيونات Na + لكل اثنين من أيونات K + [74 ، 75].

تم العثور على المعلمات الفسيولوجية المفقودة عدديًا من خلال مطابقة خرج النموذج الحالي مع الفروق الدقيقة لمنحنى جهد الفعل المقاس على الكهربي الطبيعي مع المربعات الصغرى غير الخطية [76 ، 77].

يظهر ناتج الجهد للكهرباء الطبيعية في التتبع العلوي للشكل 1 (

). تم تحسين تصميم الخلية الأولية عدديًا لتحقيق أقصى قدر من الأداء الكهربائي. بدأ تصميم الخلية الأولية كقائمة من الموصلات النانوية الطبيعية (مثل القنوات / المضخات الأيونية) ، والمعلمات الفيزيائية الحيوية الأساسية (نفاذية الأيونات ، وغشاءان عازلان ، وما إلى ذلك) ، وكان الهدف من التحسين العددي هو تعظيم الأداء الكهربائي (على سبيل المثال ، خرج طاقة النبضة الأحادية ، أو كثافة خرج الطاقة ، أو كفاءة تحويل الطاقة) لتصميم الخلية الأولية.

يتم تعريف ناتج الطاقة الكهربائية للخلية الاصطناعية على أنه & # 13

& # 13 أين هو خرج الطاقة الكهربائية وهل يتم تطبيق الجهد والتيار بمرور الوقت ، ر. يُعرَّف خرج طاقة النبضة الأحادية بأنه خرج الطاقة أثناء إطلاق واحد لإمكانات العمل. تُعرَّف كثافة خرج الطاقة بأنها ناتج الطاقة لطبقة واحدة من الخلايا في وحدة زمنية وبمساحة وحدة من غشاء الخلية.

يتم تعريف كفاءة تحويل الطاقة Φ للخلية الأولية للتيار المتردد على أنها & # 13

& # 13 أين يتم العمل المنجز عبر الدائرة الخارجية ، وهو مدخلات الطاقة من المحفزات الكهربائية ، والطاقة من التحلل المائي لـ ATP لـ Na + / K + -ATPase ، و (حوالي 75٪ إلى 80٪) [78] كفاءة تحويل الطاقة للتخليق الحيوي لـ ATP عن طريق أكسدة الجلوكوز أو الأحماض الدهنية. يتم الحفاظ على تدرج تركيز أيون الغشاء للخلية بواسطة Na + / K + -ATPase. يتم تغذية المضخات بواسطة التحلل المائي ATP [58] ، وتستهلك

ينتج عن التحسين العددي تكوينًا للخلية الأولية يحقق هدف التصميم على أفضل وجه. تم استخدام التحسين العددي غير الخطي المقيد [76 ، 77] لتوجيه التصميم. كان أحد القيود هو الحفاظ على كثافة القناة الإجمالية على كل غشاء بينما تم السماح بتغيير كثافة النوع الفردي للقنوات في الخوارزمية. قد ينتج عن الخلية الأولية الناتجة ، المُحسَّنة للأداء الكهروضوئي ، مع نفس كثافة القناة الكلية مثل الخلية الكهربائية الطبيعية ، إمكانات عمل أطول في المدة من الخلية الكهربية الطبيعية (الشكل 1 ()). يتميز تصميم الخلية الأولية بإنتاج طاقة أعلى وكفاءة أكبر في تحويل الطاقة مقارنة بالكهرباء الطبيعية (الجدول 1). من المتوقع أن تنتج الخلية الأولية المكونة على النحو الأمثل 0.545 واط · م 2 لكل خلية ، وستعتمد كثافة خرج الطاقة للخلايا الأولية خطيًا على طبقات الخلايا الأولية التي تتكون من مجموعة خلايا أولية ذات أبعاد

يمكن أن تزود بشكل مستمر 300 ميكرومترW إعطاء مصدر طاقة كافٍ.

W · h · kg −1). تم تصميم هذه الخلية الأولية لكثافة الطاقة القصوى (

تم أيضًا تحليل الأداء الكهربائي للخلية الأولية المُحسَّنة لإخراج التيار المستمر من الناحية الكمية باستخدام نموذج رقمي (كما هو موضح في [2]). في هذه الخلية الأولية ، يتكون الجهد الكهربائي () من مكونين (الشكل 2 (ج)): (1) الجهد الكهربائي () ، بسبب حركة الأيونات عبر بروتينات الغشاء الانتقائي للأيونات ، على سبيل المثال ، α- طفرات HL (2) جهد القطب () ، بسبب الأنشطة المختلفة للقطبين في محاليل تركيز أيون مختلف & # 13

جهد القطب () هو دالة لتركيزات أيون الكلوريد في القطرتين [72 ، 73]: & # 13

وهل الأنشطة الكيميائية لأيونات الكلوريد حول القطبين هو معامل نشاط الأيونات في القطرة هو مولالي (مول · كغم -1) للقطرة وهؤلاء للقطيرة . هل ثابت الغاز درجة الحرارة ثابت فاراداي.

الإمكانات ، من النقل الأيوني غير المتوازن من خلال انتقائية الأيونات α- طفرات HL ، تم تصويرها بواسطة نسخة مبسطة من نموذج Hodgkin-Huxley [17]: & # 13

هل التيار عبر طبقة الدهون الثنائية هو سعة الغشاء وهي K + و Cl - موصلية لـ α- طفرات HL وهي إمكانات الانعكاس لكل من K + و Cl - أيونات.

يقترن ناتج الجهد الكلي () لهذه الخلية الأولية كهربائيًا بقوانين كيرشوف من خلال الدائرة الخارجية (الشكل 2 (أ)). كما هو موضح في الشكل 2 (ج) ، فإن إجمالي ناتج الجهد هو مجموع الإمكانات بسبب النقل الأيوني غير المتوازن والإمكانات بسبب الأنشطة الكيميائية للأقطاب الكهربائية في الحلول المختلفة. بمرور الوقت ، ينخفض ​​ u200b u200b الخلية الأولية عن القيمة الأولية ، بسبب انكماش التدرج الأيوني من خلال طبقة ثنائية الدهون ، والتي تأتي من كل من التبادل الأيوني من خلال البروتينات وتبادل الماء من خلال طبقة ثنائية الدهون في هذا الإجراء ، وأحجام القطيرات النسبية قد تختلف بمرور الوقت. يتسبب انكماش التدرج الأيوني في انخفاض كل من (6) و (5). في النهاية ، تصل تركيزات الأيونات في القطرتين إلى التوازن ، وهو نهاية عمر هذه الخلية الأولية. خلال عمرها ، تنتج الخلية الأولية الكهرباء لتشغيل الدائرة الخارجية (الشكل 2 (أ)) إجمالي كثافة خرج الطاقة (

) من هذه الخلية الأولية على أنها & # 13

هو ناتج الطاقة للخلية الأولية (م 3) هو حجم الخلية الأولية.

يتم تعريف كفاءة تحويل الطاقة على أنها نسبة إخراج الطاقة إلى الطاقة المجانية المخزنة في تدرج تركيز الأيونات. الطاقة الحرة الوحدوية المخزنة في تدرج التركيز ،

و (mol·L −1) هي التركيزات الأيونية للقطرتين وهي ثابت الغاز ودرجة الحرارة.

المعلمات الحرجة التي تؤثر على الأداء الكهربائي (على سبيل المثال ، كثافة خرج الطاقة ، وكفاءة الطاقة) هي انتقائية الأيونات وكثافة القناة (باستخدام α- طفرات HL في النموذج) ومنطقة طبقة الدهون الثنائية وتركيزات الأيونات الأولية وأحجام القطرتين والمقاومة الخارجية. تم تحسين التصميم عدديًا عن طريق تغيير معلمات الجهاز هذه باستخدام خوارزمية أمثل غير خطية مقيدة [76 ، 77]. تشمل القيود قابلية ذوبان الأيونات في الماء والحد الأعلى لكثافة القناة في الغشاء. كانت الوظيفة الموضوعية هي الأداء الكهربائي الكلي للخلية الأولية على مدار عمرها — إما كثافة الطاقة أو كفاءة تحويل الطاقة. تعمل خوارزمية التحسين على تغيير المعلمات وتقييم الأداء الكهربائي للخلية الأولية في هذه المجموعة من المعلمات ، حيث سيتم مقارنة الأداء الكهربائي في هذه المرحلة مع مجموعة المعلمات السابقة بناءً على نتائج المقارنة ، وسيتم اتخاذ القرارات إما لإيقاف التحسين أو لمزيد من تغيير المعلمات لتعظيم الأداء الكهربائي.

يُقدَّر أن التصميم المُحسَّن لإخراج أقصى كثافة للطاقة ينتج عنه طاقة J · m −3 (1.92 W · h · kg −1) ، بكفاءة تحويل طاقة تقديرية تبلغ 10٪ من كثافة الطاقة 5٪ من بطارية الرصاص الحمضية [82 ، 83]. يُظهر ناتج الطاقة المحسوب لخلية أولية تم تكوينها على النحو الأمثل لكثافة الطاقة العالية (J · m −3) ، مع زوجين من القطرات بأقطار 3.9 سم و 3.3 سم ، أنه يمكن تشغيل أداة إلكترونية نموذجية (20 ميغاواط) لحوالي 10 ساعات.

يمكن الحصول على كفاءة تحويل أعلى للطاقة على حساب تقليل كثافة الطاقة. بلغت كفاءة تحويل الطاقة القصوى المحسوبة لهذه الخلايا الأولية 48٪ ، ولكن عند هذه النقطة تكون كثافة الطاقة منخفضة جدًا (J · m −3) وليست عملية للتطبيقات المحمولة.

تقارن مخططات راجون [84-87] أداء أجهزة تخزين الطاقة الكهربائية ، وتوفر تمثيلاً لكثافة الطاقة المتعلقة بالسرعة التي يمكن بها إيصال الطاقة (على سبيل المثال ، كثافة الطاقة). تقع البطاريات والمكثفات التقليدية عمومًا في نهايات مختلفة من مخطط Ragone: توفر البطاريات عمومًا طاقة محدودة على فترات أطول [84-86] تقدم المكثفات عمومًا نبضات أكبر لفترات قصيرة [87]. يتم رسم مواضع Ragone للكهرباء الطبيعية ، والخلية الأولية مع خرج التيار المتردد ، والخلية الأولية مع خرج التيار المستمر جنبًا إلى جنب مع التقنيات الأخرى ، الموضحة كمرجع ، في الشكل 3. الحد الأقصى لإخراج الطاقة للكهرباء الطبيعية (أو الخلية الأولية مع نفس الشيء بالضبط التكوين كالكهرل طبيعي) يقدر بـ 0.427 واط · م · 2 · خلية -1 كل طبقة خلية 130 ميكرومترm عرضًا إذا افترضنا أن كثافة الكتلة للكهرباء هي kg · m −3 (المكون الرئيسي هو الماء) ، فإن كثافة الطاقة للكهرباء الطبيعية تقدر بـ 3.28 W · kg −1 كثافة الطاقة للخلية الأولية مع يقدر التكوين الأمثل بـ 4.19 واط · كجم -1 (الجدول 1). عند التحفيز ، Electrophorus electricus يمكن أن تولد إمكانات فعل لساعات دون أي علامة على الإرهاق من خلال العضو الرئيسي [80 ، 81] يتم وضع علامة على مواضع الخلية الكهربائية الطبيعية وخلية التيار المتردد ذات التصميم الأمثل ("" و "+") بناءً على نتائج المحاكاة بافتراض وجود واحد - إنتاج الطاقة المستمرة لساعات ، ولكن قد تكون كثافات الطاقة الفعلية أعلى إذا توفرت كمية كافية من ATP. لذلك ، يتم وصف موضع الخلية الأولية للتيار المتردد في مخطط Ragone بواسطة متوازي الأضلاع ، يشير النطاق الرأسي إلى أداء الخلية الأولية AC التي تمتد من ساعة واحدة إلى 10 ساعات عند معلمات تصميم معينة ، والتي تشير إلى أن كثافة الطاقة الفعلية لخلايا أولية AC يمكن أن تكون حتى أكبر من التقدير الحالي مع وجود ATP كافٍ ، يشير النطاق الأفقي لمتوازي الأضلاع إلى نطاق أداء الخلايا الأولية للتيار المتردد من معلمات التصميم الأولية إلى معلمات التصميم المثلى.


مخطط راجون يقارن بين الخلايا الكهروضوئية الطبيعية وخلايا التيار المتردد الأولية والخلايا الأولية للتيار المستمر مع البطاريات التقليدية والمكثفات وأجهزة تحويل الطاقة الأخرى ، بما في ذلك الأجهزة الكهروضغطية والكهربائية الحرارية والأجهزة الكهروضوئية (بيانات هذه الأجهزة الأخرى من [28 ، 85 ، 86 ، 88-90 ]). يتم وصف أداء الخلية الأولية AC من خلال متوازي الأضلاع ، تشير الحافة السفلية إلى أداء الخلايا الأولية للتيار المتردد من معلمات التصميم الأولية (على سبيل المثال ، الخلية الكهربائية الطبيعية ، المميزة بعلامة "○") إلى معلمات التصميم المثلى (المميزة بعلامة "+") عند 1 ساعة الإخراج المستمر تشير الحافة العلوية إلى أداء الخلايا الأولية للتيار المتردد عند إخراج مستمر لمدة 10 ساعات يعكس الجانبان الأيسر والأيمن أداء الخلايا الأولية للتيار المتردد التي تمتد من ساعة واحدة إلى 10 ساعات.

يقدر أن الخلية الأولية المصممة لإخراج التيار المستمر تنتج J · m 3 ، أي ما يعادل 1.92 واط · ساعة · كجم -1 متوسط ​​كثافة الطاقة هو 12.6 واط · كجم -1 ، محسوبة من كثافة الطاقة وعمر الخلية الأولية ( العمر مقيد بالتركيز الأولي ومعدل التفريغ في هذه الحالة). المقاييس العمرية خطيًا مع قطرات الحجم ذات الأقطار الأكبر 10 مرات لها أحجام أكبر 1000 مرة وستكون لها عمر أطول 1000 مرة ، لكن كثافة الطاقة الإجمالية المتاحة للإخراج ستظل كما هي عند 1.92 واط · ساعة · كجم -1. لذلك ، يتم تصوير موضع الخلية الأولية مع إخراج التيار المستمر في مخطط Ragone بنجمة (*) بخطوط منقطة ، مما يشير إلى أنه اعتمادًا على أحجام القطرات ، يمكن توصيل نفس كثافة الطاقة بشكل أبطأ وبكثافة طاقة أقل من النتائج بناءً على تكوين محسوب بقطرات 254 nL و 146 nL. كثافة الطاقة للخلية الأولية DC هي 5٪ من بطارية الرصاص الحمضية [82 ، 83] كثافة الطاقة للخلية الأولية DC مماثلة للبطاريات التقليدية. مقارنة بأجهزة تحويل الطاقة البديلة الأخرى (الشكل 3) ، فإن الأداء الكهروضوئي للخلايا الأولية أفضل بكثير من أداء الأجهزة الكهروضغطية وقابل للمقارنة مع الأجهزة الكهروضوئية والأجهزة الكهروضوئية. تتمتع الأجهزة الكهروضوئية بأداء أسوأ بشكل كبير (على سبيل المثال ، كثافة الطاقة 10 ميكرومترW · cm −2) عند استخدامها في الداخل عن الخارج (كثافة الطاقة

ميكرومترW · cm −2) عند مقارنتها بالأداء الداخلي ، تتمتع الخلايا الأولية بكثافة طاقة أكبر من الأجهزة الكهروضوئية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إعادة شحن الخلية الأولية للتيار المتردد باستخدام مصدر طاقة بيولوجية ، على سبيل المثال ، ATP ، والذي يبدو جذابًا لتشغيل الأجهزة القابلة للزرع.

قد تكون تقنيات الخلايا الأولية الملخصة هنا مفيدة لتحويل الطاقة حيث تتوفر تدرجات تركيز أيون واسعة النطاق (مثل تقاطع مصادر المياه العذبة والمالحة) وللتطبيقات التي لا تكون فيها كثافة الطاقة المنخفضة عاملاً مقيدًا.

4. الخلاصة

توفر الخلايا الأولية ، من خلال تجميع الموصلات النانوية الطبيعية والصناعية (مثل القنوات / المضخات الأيونية) ، طريقة جديدة لتحويل الطاقة الكيميائية (أو الطاقة المخزنة في تدرج تركيز) إلى كهرباء. تم تصميم الأداء الكهربائي لهذه الخلايا الأولية رقميًا وتعزيزه بشكل فعال عن طريق التحسين. تنتج التصميمات المُحسَّنة كثافات طاقة كبيرة بما يكفي للتطبيقات العملية ، من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية منخفضة الطاقة إلى الأجهزة الطبية الحيوية القابلة للزرع.

تكمن التحديات التي تواجه هذه التقنية في إنشاء قنوات مستقرة وانتقائية ومضخات أيونية - يتم حاليًا تنقية البروتينات الغشائية الطبيعية وإدخالها في طبقات ثنائية الدهون [91 ، 92]. يمكن تصنيع النظائر الاصطناعية للقنوات الأيونية عن طريق هندسة البروتين ، مثل α- الهيموليسين وطفراته [63 ، 71]. يمكن أيضًا تصنيع قنوات الأيونات الاصطناعية عن طريق تكييف أنصاف أقطار SiO بدقة2 nanopores من خلال تشغيل المجموعة العضوية [93 ، 94]. بالطبع ، الاستقرار على المدى الطويل هو مصدر قلق آخر - طبقة ثنائية القطرات هي أحد الأساليب التي تم الإبلاغ عنها لتمديد عمر الطبقة الثنائية [64-68]. تشمل الأساليب الأخرى لتثبيت طبقة ثنائية الدهون السيليكا ميسوبوروس [11] أو دعم الألياف النانوية [12] لا تعمل هذه الدعامات المسامية على تثبيت طبقة ثنائية الدهون فحسب ، بل تحافظ أيضًا على إمكانية الوصول إلى الماء على جانبي الطبقة الثنائية [12] ، وهو أمر بالغ الأهمية لوظيفة الجهاز. كما هو الحال مع البطاريات التقليدية ، يمكن توصيل خلايا أولية متعددة في سلسلة و / أو متوازية لتحقيق الجهد المطلوب والمخرجات الحالية.

شكر وتقدير

تم دعم هذه الورقة جزئيًا من قبل المعاهد الوطنية للصحة من خلال خارطة طريق NIH للبحوث الطبية ، كجزء من المركز الوطني لتصميم الموصلات النانوية الحيوية ، رقم الجائزة PHS 2 PN2 EY016570B. يتطلب الوصف الكامل للمواد والبرامج المستخدمة في هذه الورقة تحديد بعض المنتجات والمواد وموردي البرامج. لا ينبغي بأي حال تفسير تضمين هذه المعلومات على أنه يشير إلى أن هذه المنتجات أو المواد أو البرامج معتمدة من قبل NIST أو موصى بها من قبل NIST أو أنها بالضرورة أفضل المنتجات أو المواد أو البرامج للأغراض الموضحة.

مراجع

  1. J. Xu و D.A Lavan ، "تصميم الخلايا الاصطناعية لتسخير تدرج تركيز الأيونات البيولوجي ،" تقنية النانو الطبيعة، المجلد. 3 ، لا. 11 ، ص 666-670 ، 2008. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  2. J. Xu و F. J. Sigworth و D.A Lavan ، "الخلايا الأولية الاصطناعية لتقليد وظيفة الخلية واختبارها" ، مواد متطورة، المجلد. 22 ، لا. 1، pp.120–127، 2010. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  3. دبليو هانكي و دبليو شلوي ، طبقات الدهون المستوية: الطرق والتطبيقات، مطبعة أكاديمية ، سان دييغو ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية ، 1993.
  4. دي جاليز ، إن إم سي بينتو ، وبي إم بيش ، "الديناميات غير الخطية وتمزق طبقات الدهون الثنائية ،" مجلة الغروانية وعلوم الواجهة، المجلد. 160 ، لا. 1، pp. 141–148، 1993. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  5. فاهي ، دي إي كوبيل ، إل إس باراك وآخرون ، "الانتشار الجانبي في طبقات الدهون الثنائية المستوية ،" علم، المجلد. 195 ، لا. 4275 ، الصفحات 305-306 ، 1977. عرض على: الباحث العلمي من Google
  6. هيل ، القنوات الأيونية للأغشية المثيرة، سيناور أسوشيتس ، سندرلاند ، ماساتشوستس ، الولايات المتحدة الأمريكية ، الطبعة الثالثة ، 2001.
  7. سي إم أرمسترونج ، "تعطيل قناة الصوديوم. II. تجارب حالية "، مجلة علم وظائف الأعضاء العامة، المجلد. 70 ، لا. 5 ، ص 567-590 ، 1977. عرض على: الباحث العلمي من Google
  8. A. Gotter و M. Kaetzel و J.Dedman ، "Electrophorus electricus كنظام نموذجي لدراسة استثارة الغشاء ،" الكيمياء الحيوية المقارن وعلم وظائف الأعضاء أ، المجلد. 119 ، لا. 1، pp.225–241، 1998. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  9. W. B. Thornhill، I. Watanabe، J. J. Sutachan et al.، "Molecular cloning and expression of Kv1.1-like potassium channel from the electric organ of the Electrophorus electricus,” مجلة بيولوجيا الغشاء، المجلد. 196 ، لا. 1، pp. 1–8، 2003. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  10. F. H. Yu و W. A. ​​Catterall ، "نظرة عامة على عائلة قنوات الصوديوم ذات الجهد الكهربائي ،" بيولوجيا الجينوم، المجلد. 4 ، لا. 3 ، المادة لا. 207 ، 2003. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  11. J. Brinker و Y. Lu و A. Sellinger و H. Fan ، "التجميع الذاتي الناجم عن التبخر: أصبحت الهياكل النانوية سهلة ،" مواد متطورة، المجلد. 11 ، لا. 7 ، ص 579-585 ، 1999. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  12. F. Yi ، J. Xu ، A. M. Smith ، A. N. Parikh ، and D.A Lavan ، "طبقات الفسفوليبيد الثنائية المدعومة بالألياف النانوية ،" مادة ناعمة، المجلد. 5 ، لا. 24 ، ص 5037-5041 ، 2009. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  13. J. J. Kasianowicz، D.L Burden، L.C Han، S. Cheley، and H. Bayley، "مواقع ربط أيونات المعادن المعدلة وراثيًا على السطح الخارجي لغشاء القناة & # x3b2-برميل،" مجلة بيوفيزيائية، المجلد. 76 ، لا. 2، pp.837–845، 1999. View at: Google Scholar
  14. جيم أرمسترونج وبي.هيل ، "القنوات الأيونية ذات الجهد الكهربائي والاستثارة الكهربائية ،" عصبون، المجلد. 20 ، لا. 3، pp.371–380، 1998. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  15. جيه بيرج ، جيه. تيموكزكو ، وإل سترير ، الكيمياء الحيوية، دبليو إتش فريمان وشركاه ، نيويورك ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية ، 2001.
  16. ليفيتان ول. كاكزماريك ، العصبونمطبعة جامعة أكسفورد ، نيويورك ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية ، 2002.
  17. أ. هودجكين و أ.ف.هكسلي ، "وصف كمي لتيار الغشاء وتطبيقه على التوصيل والإثارة في الأعصاب ،" مجلة علم وظائف الأعضاء، المجلد. 117 ، لا. 4، pp.500–544، 1952. View at: Google Scholar
  18. إل إي بيل ، "التبريد والتدفئة وتوليد الطاقة واستعادة الحرارة المفقودة باستخدام الأنظمة الكهروحرارية" علم، المجلد. 321 ، لا. 5895 ، الصفحات من 1457 إلى 1461 ، 2008. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  19. S.B Riffat and X. Ma ، "الكهروحرارية: مراجعة للتطبيقات الحالية والمحتملة ،" الهندسة الحرارية التطبيقية، المجلد. 23 ، لا. 8، pp.913–935، 2003. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  20. تي كول ، "تحويل الطاقة الحرارية مع إلكتروليتات صلبة ،" علم، المجلد. 221 ، لا. 4614 ، ص 915-920 ، 1983. عرض على: الباحث العلمي من Google
  21. R.L Bunde ، و E.Jarvi ، و J. J. Rosentreter ، "أجهزة الاستشعار الحيوية البلورية الكهروإجهادية ،" تالانتا، المجلد. 46 ، لا. 6، pp. 1223-1236، 1998. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  22. Y. S. Fung و Y. Y. Wong ، "طبقات أحادية مجمعة ذاتيًا كطلاء في مستشعر بلوري كهرضغطية من الكوارتز للكشف عن السالمونيلا في محلول مائي ،" الكيمياء التحليلية، المجلد. 73 ، لا. 21 ، ص 5302-5309 ، 2001. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  23. R. King ، D.C Law ، K.M Edmondson et al. ، "40 & # x25 خلايا شمسية متحولة فعالة GaInP / GaInAs / Ge متعددة الوصلات ،" رسائل الفيزياء التطبيقية، المجلد. 90 ، لا. 18 ، معرف المقال 183516 ، 3 صفحات ، 2007. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  24. A. Barnett ، D. Kirkpatrick ، ​​C. Honsberg et al. ، "وحدات الخلايا الشمسية عالية الكفاءة جدًا ،" التقدم في الخلايا الكهروضوئية: البحث والتطبيقات، المجلد. 17 ، لا. 1، pp. 75–83، 2008. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  25. إس إيه ساب ، وبي بي لاكشمي ، وسي آر مارتن ، "نموذج توليف أسلاك نانو تيلورايد البزموت ،" مواد متطورة، المجلد. 11 ، لا. 5، pp. 402–404، 1999. View at: Google Scholar
  26. O. Yamashita ، S. Tomiyoshi ، و K. Makita ، "مركبات البزموت تيلورايد ذات الأشكال الكهروحرارية العالية للجدارة ،" مجلة الفيزياء التطبيقية، المجلد. 93 ، لا. 1، pp.368–374، 2003. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  27. R. Yang و Y. Qin و L. Dai و Z.L Wang ، "توليد الطاقة من الأسلاك الدقيقة الكهروضغطية المعبأة جانبياً" تقنية النانو الطبيعة، المجلد. 4 ، لا. 1، pp.34–39، 2008. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  28. S. Roundy ، E. S. Leland ، J. Baker et al. ، "تحسين خرج الطاقة لأجهزة إزالة الطاقة القائمة على الاهتزازات ،" IEEE Pervasive الحوسبة، المجلد. 4 ، لا. 1، pp.28–36، 2005. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  29. S. Roundy ، و P. K. Wright ، و J.M Rabaey ، البحث عن الطاقة لشبكات الاستشعار اللاسلكية: مع التركيز بشكل خاص على الاهتزازات، سبرينغر ، نيويورك ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية ، 2004.
  30. جيه إيه باراديسو وتي ستارنر ، "استخراج الطاقة من الأجهزة الإلكترونية المحمولة واللاسلكية ،" IEEE Pervasive الحوسبة، المجلد. 4 ، لا. 1، pp. 18–27، 2005. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  31. A. Iino ، K. Suzuki ، M. Kasuga ، M. Suzuki ، و T. Yamanaka ، "تطوير محرك دقيق بالموجات فوق الصوتية ذاتي التأرجح وتطبيقه على الساعة ،" الموجات فوق الصوتية، المجلد. 38 ، لا. 1 & # x20138 ، الصفحات 54-59 ، 2000. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  32. K. Ramanathan ، M.A Contreras ، C.L Perkins et al. ، "خصائص كفاءة 19.2 & # x25 ZnO / CdS / CuInGaSe2 الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة هذه المقالة عمل حكومي أمريكي وهي في المجال العام في الولايات المتحدة الأمريكية ، " التقدم في الخلايا الكهروضوئية: البحث والتطبيقات، المجلد. 11 ، لا. 4، pp.225–230، 2003. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  33. P. Liska ، K.R Thampi ، M. Gratzel et al. ، "خلية شمسية حساسة للصبغة النانوية النانوية / ترادف غشاء رقيق سيلينيد الإنديوم النحاسي يظهر كفاءة تحويل أكبر من 15 & # x25 ،" رسائل الفيزياء التطبيقية، المجلد. 88 ، معرف المقالة 203103 ، 3 صفحات ، 2006. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  34. G.J. Bauhuis ، P. Mulder ، J. J. Schermer ، E. J. HaverKamp ، J. van Deelen ، and P. K. Larsen ، "الخلايا الشمسية GaAs ذات الأغشية الرقيقة ذات الكفاءة العالية مع صلابة إشعاع محسّنة ،" في وقائع المؤتمر الأوروبي العشرين للطاقة الشمسية الكهروضوئية، الصفحات 468-471 ، برشلونة ، إسبانيا ، يونيو 2005. عرض على: الباحث العلمي من Google
  35. جي سي سكو ، "تحديد مضخة الصوديوم ،" تقارير العلوم البيولوجية، المجلد. 18 ، لا. 4، pp. 155–169، 1998. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  36. ف. كورنيليوس ، "مضخة الصوديوم ،" في ATPases (الأغشية الحيوية رسالة متعددة الأحجام)، أ.جي لي ، إد ، ص. 133، JAI Press، London، UK، 1996. View at: Google Scholar
  37. J. K. Lanyi و A. Pohorille ، "مضخات البروتون: آلية العمل والتطبيقات ،" الاتجاهات في التكنولوجيا الحيوية، المجلد. 19 ، لا. 4، pp.140–144، 2001. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  38. نوجي ، ر. ياسودا ، إم يوشيدا ، ك.كينوسيتا ، "المراقبة المباشرة لدوران F1-ATPase ،" طبيعة سجية، المجلد. 386 ، الصفحات 299-302 ، 1997. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  39. T. Elston ، و H. Wang ، و G. Oster ، "تحويل الطاقة في سينثيز ATP ،" طبيعة سجية، المجلد. 391، pp.510-513، 1998. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  40. W. Junge و H. Sielaff و S. Engelbrecht ، "توليد عزم الدوران ونقل الطاقة المرنة في قاعدة FOF1-ATPase الدوارة ،" طبيعة سجية، المجلد. 459 ، ص 364-370 ، 2009. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  41. آر إم ألين وإتش بي بينيتو ، "خلايا الوقود الميكروبية ،" الكيمياء الحيوية التطبيقية والتكنولوجيا الحيوية، المجلد. 39 ، لا. 1 ، ص 27-40 ، 1993. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  42. K. Rabaey و W. Verstraete ، "خلايا الوقود الميكروبية: التكنولوجيا الحيوية الجديدة لتوليد الطاقة ،" الاتجاهات في التكنولوجيا الحيوية، المجلد. 23 ، لا. 6، pp.291–298، 2005. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  43. ماتشادو ، دبليو دي سوزا ، جي كوتا بيريرا ، وج. بحوث الخلايا والأنسجة، المجلد. 174 ، لا. 3، pp.355–366، 1976. عرض على: الباحث العلمي من Google
  44. C. Mermelstein و M. Costa و V. Neto ، "الهيكل الخلوي للأنسجة الكهربائية لـ Electrophorus electricus ، L ،" Anais da Academia Brasileira de Ciencias، المجلد. 72 ، لا. 3، pp.341–351، 2000. View at: Google Scholar
  45. M. Altamirano ، "الخواص الكهربائية للغشاء المعصب للالكتروبلاكس الكهربائي لثعبان السمك الكهربائي ،" مجلة علم وظائف الأعضاء الخلوية، المجلد. 46 ، لا. 2، pp.249–277، 1955. View at: Google Scholar
  46. R. T. Cox ، و C.W Coates ، و M. V. Brown ، "علاقات الأنسجة الكهربائية بين البنية والخصائص الكهربائية والعمليات الكيميائية للأنسجة الكهربائية ،" مجلة علم وظائف الأعضاء العامة، المجلد. 28 ، لا. 3، pp. 187–212، 1945. View at: Google Scholar
  47. دبليو إس هوار ، فسيولوجيا الأسماك: الأنظمة الحسية والأعضاء الكهربائية، مطبعة أكاديمية ، نيويورك ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية ، 1971.
  48. A. Hodgkin و A. Huxley ، "قياس العلاقات بين التيار والجهد في غشاء محور عصبي عملاق من لوليجو,” مجلة علم وظائف الأعضاء، المجلد. 116 ، لا. 4، pp.424–448، 1952. View at: Google Scholar
  49. A. Hodgkin و A. Huxley ، "التيارات التي تحملها أيونات الصوديوم والبوتاسيوم من خلال غشاء محور عصبي عملاق من لوليجو,” مجلة علم وظائف الأعضاء، المجلد. 116 ، لا. 4، pp.449–472، 1952. View at: Google Scholar
  50. A. Hodgkin و A. Huxley ، "مكونات توصيل الغشاء في محور عصبي عملاق لوليجو,” مجلة علم وظائف الأعضاء، المجلد. 116 ، لا. 4 ، ص 473-496 ، 1952. عرض على: الباحث العلمي من Google
  51. A. Hodgkin و A. Huxley ، "التأثير المزدوج لإمكانات الغشاء على توصيل الصوديوم في المحور العصبي العملاق لـ لوليجو,” مجلة علم وظائف الأعضاء، المجلد. 116 ، لا. 4، pp.497–506، 1952. View at: Google Scholar
  52. A.L Hodgkin و B. Katz ، "تأثير درجة الحرارة على النشاط الكهربائي للمحور العملاق للحبار ،" مجلة علم وظائف الأعضاء، المجلد. 108 ، لا. 1 ، ص. 37 ، 1949. عرض على: الباحث العلمي من Google
  53. R. Keynes و H. Ferreira ، "جهود الغشاء في اللوحات الكهربائية لثعبان السمك الكهربائي ،" مجلة علم وظائف الأعضاء، المجلد. 119 ، ص 315–351 ، 1953. عرض على: الباحث العلمي من Google
  54. S. Shenkel and F. Bezanilla ، "تسجيلات التصحيح من الخلايا الكهربية للكهرباء: تيارات بوابة قناة Na ،" مجلة علم وظائف الأعضاء العامة، المجلد. 98 ، لا. 3 ، الصفحات 465-478 ، 1991. عرض على: الباحث العلمي من Google
  55. H. A. Lester ، و J.P. Changeux ، و R.E.Sheridan ، "زيادة التوصيل الناتجة عن استخدام الحمام لمنبهات الكوليني في Electrophorus electroplaques" مجلة علم وظائف الأعضاء العامة، المجلد. 65 ، لا. 6 ، ص 797-816 ، 1975. عرض على: الباحث العلمي من Google
  56. إم إل إس سوزا ، سي إف فريتاس ، إم إيه أو دومينجوس وآخرون ، "تحديد وتوزيع كبريتات شوندروتن في الأعضاء الكهربائية الثلاثة لثعبان السمك الكهربائي ، Electrophorus electricus (L.) ،" الكيمياء الحيوية المقارن وعلم وظائف الأعضاء ب، المجلد. 146 ، لا. 2، pp.227–233، 2007. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  57. ناكامورا ، إس. ناكاجيما ، وه. مجلة علم وظائف الأعضاء العامة، المجلد. 49 ، لا. 2 ، ص. 321 ، 1965. عرض على: الباحث العلمي من Google
  58. تانفورد ، "حالة التوازن لمضخات الأيونات التي تحركها ATP فيما يتعلق بتدرجات تركيز الأيونات الفسيولوجية ،" مجلة علم وظائف الأعضاء العامة، المجلد. 77 ، لا. 2، pp.223–229، 1981. عرض على: الباحث العلمي من Google
  59. إتش جي تشوي وسي دي مونتماغنو ، "عضية اصطناعية: تخليق ATP من بوليمرات تقليد خلوية ،" رسائل نانو، المجلد. 5 ، لا. 12 ، ص 2538-2542 ، 2005. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  60. D. Bald ، T. Amano ، E.Muneyuki et al. ، "توليف ATP بواسطة سينسيز F0F1-ATP المستقل عن مواقع ربط النوكليوتيدات غير التحفيزية وغير حساس لتثبيط الأزيد ،" مجلة الكيمياء البيولوجية، المجلد. 273 ، لا. 2، pp. 865–870، 1998. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  61. ب.بيتارد ، ب.ريتشارد ، إم دوناتش ، وجيه إل ريغو ، "توليف ATP بواسطة F0F1 سينسيز ATP من المحبة للحرارة عصية تمت إعادة تكوين PS3 إلى الجسيمات الشحمية باستخدام هودوبسين جرثومي 2. العلاقات بين القوة المحركة للبروتون وتخليق ATP ، " المجلة الأوروبية للكيمياء الحيوية، المجلد. 235 ، لا. 3 ، ص.779-788، 1996. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  62. ب.بيتارد ، ب.ريتشارد ، إم دوناتش ، جي جيرولت ، وجيه إل ريغو ، "توليف ATP بواسطة F0F1 سينسيز ATP من المحبة للحرارة عصية تمت إعادة تكوين PS3 إلى الجسيمات الشحمية باستخدام هودوبسين جرثومي 1. العوامل التي تحدد إعادة التكوين الأمثل لتركيبات ATP مع هودوبسين جرثومي ، " المجلة الأوروبية للكيمياء الحيوية، المجلد. 235 ، لا. 3، pp.769–778، 1996. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  63. P.G Merzlyak ، M. F. P. Capistrano ، A. Valeva ، J. J. مجلة بيوفيزيائية، المجلد. 89 ، لا. 5 ، ص 3059-3070 ، 2005. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  64. إم أيه هولدن ، ود. نيدهام ، وإتش بايلي ، "الشبكات الحيوية الوظيفية من قطرات الماء النانوليتر ،" مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، المجلد. 129 ، لا. 27، pp. 8650–8655، 2007. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  65. دبليو إل هوانج ، إم إيه هولدن ، إس وايت ، وإتش بايلي ، "السلوك الكهربائي للشبكات ثنائية الطبقة لواجهة القطيرات: التحليل التجريبي والنمذجة ،" مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، المجلد. 129 ، لا. 38، pp. 11854–11864، 2007. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  66. M. A. Creasy و D.J Leo ، "تكون خصائص الطبقة الثنائية لواجهة القطرة فوق ركيزة مسامية صناعية ،" في وقائع الجمعية الدولية للهندسة البصرية (SPIE '09)، المجلد. 7291، Nanosensors، Biosensors، Info-Tech Sensors and Systems مارس 2009. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  67. S. A. Sarles and D.J Leo ، "طريقة الربط المنظمة لإعادة تكوين طبقات الدهون الثنائية بالحجم المحدد ضمن ركائز مرنة ،" الكيمياء التحليلية، المجلد. 82 ، لا. 3، pp. 959–966، 2010. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  68. S. A. Sarles و D.J Leo ، "التغليف المادي للطبقات الثنائية لواجهة القطرات للشبكات الجزيئية الحيوية المتينة والمحمولة ،" مختبر على رقاقة، المجلد. 10 ، لا. 6، pp.710–717، 2010. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  69. L.-Q. Gu و H. Bayley ، "تفاعل المحول الجزيئي غير التساهمي ، & # x3b2- سيكلودكسترين ، مع المكورات العنقودية & # x3b1-مسام الهيموليزين ، " مجلة بيوفيزيائية، المجلد. 79 ، لا. 4، pp. 1967–1975، 2000. View at: Google Scholar
  70. S. A. Glazier ، D. J. Vanderah ، A. L. Plant ، H. Bayley ، G. Valincius ، and J. J. & # x3b1-هيموليسين في أغشية الفوسفوليبيد / 18-octadecyl-1-thiahexa (أكسيد الإيثيلين) و phospholipid / n-octadecanethiol الأغشية ثنائية الطبقة المدعومة ، " لانجموير، المجلد. 16 ، لا. 26 ، ص 10428-10435 ، 2000. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  71. S. Y. Noskov و W. Im و B. Roux ، "تغلغل الأيونات عبر & # x3b1-قناة الهيموليسين: دراسات نظرية تعتمد على الديناميكيات البراونية ونظرية بواسون-نرنست-بلانك للانتشار الكهربي ، " مجلة بيوفيزيائية، المجلد. 87 ، لا. 4 ، ص 2299-2309 ، 2004. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  72. W. J. Hamer و Y. C. Wu ، "المعاملات التناضحية ومعاملات النشاط المتوسطة للكهارل أحادية التكافؤ في الماء عند 25 درجة مئوية ،" مجلة البيانات المرجعية الفيزيائية والكيميائية، المجلد. 1 ، لا. 4 ، ص 1047-1075 ، 1972. عرض على: الباحث العلمي من Google
  73. هاء Amado G و L. توازن طور السوائل، المجلد. 226 ، لا. 1-2 ، ص 261-265 ، 2004. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  74. نوفوتني وإي جاكوبسون ، "دراسات حسابية لاقتران تدفق الماء الأيوني في ظهارة مجرى الهواء. 1- بناء النموذج " المجلة الأمريكية لعلم وظائف الأعضاء، المجلد. 270 ، لا. 6، pp. C1751-C1763، 1996. View at: Google Scholar
  75. نوفوتني وإي جاكوبسون ، "دراسات حسابية لاقتران تدفق الماء الأيوني في ظهارة مجرى الهواء. II. دور آليات النقل المحددة ، " المجلة الأمريكية لعلم وظائف الأعضاء، المجلد. 270 ، لا. 6، pp. C1764-C1772، 1996. View at: Google Scholar
  76. المزيد ، "خوارزمية Levenberg-Marquardt: التطبيق والنظرية ،" التحليل العددي، المجلد. 630، pp.105–116، 1978. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  77. T. S. Ahearn و R. T. Staff و T. الفيزياء في الطب وعلم الأحياء، المجلد. 50 ، لا. 9، pp. N85-N92، 2005. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  78. H. Kammermeier ، "كفاءة تحويل الطاقة من ركائز التمثيل الغذائي إلى ATP والطاقة الميكانيكية والتناضح الكيميائي ،" البحوث الأساسية في أمراض القلب، المجلد. 88 ، الملحق 2 ، الصفحات 15-20 ، 1993. عرض على: الباحث العلمي من Google
  79. بي سي كالدويل و إتش شيرمر ، "الطاقة المجانية المتاحة لمضخة الصوديوم لمحاور الحبار العملاقة والتغيرات في تدفق الصوديوم عند إزالة البوتاسيوم خارج الخلية ،" مجلة علم وظائف الأعضاء، المجلد. 181، pp. 25P - 26P، 1965. View at: Google Scholar
  80. جيه إس نيلسون ، أسماك العالم، وايلي ، 2006.
  81. بي مولر ، الأسماك الكهربائية: التاريخ والسلوك، Chapman & # x26 Hall ، لندن ، المملكة المتحدة ، 1995.
  82. B. Hariprakash ، A. U. Mane ، S. K. Martha ، S. A. Gaffoor ، S. A. Shivashankar ، and A. K. Shukla ، "بطارية الرصاص / الحمضية منخفضة التكلفة وعالية الكثافة للطاقة ،" رسائل الكهروكيميائية والحالة الصلبة، المجلد. 7 ، لا. 3، pp. A66-A69، 2004. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  83. T. Juergens و R. F. Nelson ، "بطارية رصاص / حمض جديدة عالية السرعة وشحن سريع ،" مجلة مصادر الطاقة، المجلد. 53 ، لا. 2، pp. 201–205، 1995. View at: Google Scholar
  84. G. Delille and B. Francois ، "مراجعة لبعض الميزات التقنية والاقتصادية لتقنيات تخزين الطاقة لتكامل نظام التوزيع ،" في إجراءات الآلات الكهربائية والمحركات وأنظمة الطاقة (ELMA '08)، الصفحات 67-72 ، 2008. عرض على: الباحث العلمي من Google
  85. J.M Miller ، "أسواق تكنولوجيا تخزين الطاقة والتطبيقات: المكثفات الفائقة بالاشتراك مع ليثيوم أيون ،" في وقائع المؤتمر الدولي السابع لإلكترونيات الطاقة (ICPE '07)، الصفحات من 16 إلى 22 أكتوبر 2007. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  86. بي فان دن بوسيه ، إف فيرجيلز ، جيه فان مييرلو ، جيه ماثيس ، دبليو فان أوتينبور ، "SUBAT: تقييم لتقنية البطاريات المستدامة ،" مجلة مصادر الطاقة، المجلد. 162 ، لا. 2، pp.913–919، 2006. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  87. J.M Miller و R. Smith ، "محركات كهربائية بمساعدة مكثف فائق للنقل" في وقائع مؤتمر IEEE الدولي للآلات الكهربائية والمحركات، المجلد. 2، pp.670–676، June 2003. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  88. سي نايت ، وجيه ديفيدسون ، وس. بيرنس ، "خيارات الطاقة لعقد المستشعر اللاسلكي ،" مجسات، المجلد. 8 ، لا. 12 ، الصفحات 8037-8066 ، 2008. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  89. K. Yoshida و S. Tanaka و S. Tomonari و D. Satoh و M. Esashi ، "مولد كهربائي حراري صغير عالي الكثافة باستخدام الاحتراق التحفيزي ،" مجلة النظم الكهروميكانيكية الدقيقة، المجلد. 15 ، لا. 1، pp. 195–203، 2006. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  90. بينيت ، "الطاقة النووية الفضائية: فتح الحدود النهائية ،" إن وقائع المؤتمر والمعرض الدولي الرابع لهندسة تحويل الطاقة، سان دييغو ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية ، 2006. عرض على: الباحث العلمي من Google
  91. E. Recio-Pinto ، و D. Duch ، و S. Levinson ، و B. W. مجلة علم وظائف الأعضاء العامة، المجلد. 90 ، لا. 3، pp.375–395، 1987. View at: Google Scholar
  92. S. Shenkel ، E.C Cooper ، W. James ، W. Agnew ، و F. Sigworth ، "تنشط قنوات الصوديوم المعدلة والنقية في طبقات ثنائية مستوية في غياب السموم العصبية المنشطة ،" وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية، المجلد. 86 ، لا. 23، pp. 9592–9596، 1989. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  93. Y.-B. Jiang ، G. Xomeritakis ، Z. Chen et al. ، "أغشية صغيرة مسامية بسمك Sub-10 & # x2009nm مصنوعة عن طريق ترسيب الطبقة الذرية المحددة بالبلازما لسلائف silsesquioxane الجسر ،" مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، المجلد. 129 ، لا. 50 ، ص 15446-15447 ، 2007. عرض على: موقع الناشر | منحة جوجل
  94. N. Liu و R. A. Assink و C.J. Brinker ، "توليف وتوصيف الأغشية الرقيقة ذات المسام عالية المرتبة مع أسطح المسام المنتهية COOH ،" الاتصالات الكيميائية، المجلد. 9 ، لا. 3، pp.370–371، 2003. View at: Google Scholar

حقوق النشر

حقوق النشر © 2012 Jian Xu et al. هذا مقال مفتوح الوصول يتم توزيعه بموجب ترخيص Creative Commons Attribution License ، والذي يسمح بالاستخدام غير المقيد والتوزيع والاستنساخ في أي وسيط ، بشرط الاستشهاد بالعمل الأصلي بشكل صحيح.


تبدأ الخلايا الأولية في العمل

صورة: "خلايا أولية عملاقة أحادية المحرك تعتمد على الخلية الأولية (باللون الأحمر) تُرى متصلة على طرفي خيوط هيدروجيل نشطة ميكانيكيًا (أخضر)" كيمياء الطبيعة (2021). دوي: 10.1038 / s41557-021-00728-9. عرض المزيد

نشر فريق من العلماء الدوليين بقيادة جامعة بريستول المهتمين بالتقنيات الأولية ، اليوم بحثًا يمهد الطريق لبناء أجهزة جديدة شبه مستقلة مع تطبيقات محتملة في الروبوتات اللينة المصغرة والاستشعار الدقيق والهندسة الحيوية.

المشغلات الدقيقة هي الأجهزة التي يمكنها تحويل الإشارات والطاقة إلى حركة مدفوعة ميكانيكيًا في هياكل صغيرة الحجم وهي مهمة في مجموعة واسعة من التقنيات الدقيقة المتقدمة.

عادة ، تعتمد المشغلات الدقيقة على التغيرات الخارجية في الخواص السائبة مثل الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة لإحداث تحولات ميكانيكية قابلة للتكرار. الآن ، في دراسة جديدة نُشرت اليوم في كيمياء الطبيعة، البروفيسور ستيفن مان من كلية الكيمياء بجامعة بريستول ، ومركز ماكس بلانك بريستول لبيولوجيا الحد الأدنى جنبًا إلى جنب مع الزملاء الدكتور نينج جاو ، مي لي ، ليانجفي تيان ، أفيناش باتيل وبافان كومار في مركز بريستول لأبحاث بروتوليف. النهج الذي يستخدم التغييرات الداخلية كمحفز للحركة القائمة على الإشارة.

في سلسلة من التجارب ، نجح الباحثون في دمج عشرات الآلاف من الكيانات الشبيهة بالخلايا الاصطناعية (الخلايا الأولية) داخل خيوط حلزونية من هيدروجيل متعدد السكاريد لإنتاج نوابض صغيرة قائمة بذاتها يتم تشغيلها كيميائيًا من الداخل.

قام الفريق أولاً بتحميل الخلايا الأولية باليورياز - وهو إنزيم يولد أيونات الكربونات عند تزويده باليوريا - ثم التقط الخلايا الاصطناعية في نفاثة ملتوية من هيدروجيل ألجينات الكالسيوم باستخدام جهاز ميكروفلويديك محلي الصنع.

اكتشفوا أن الخيوط الحلزونية تبدأ في الانكماش في الماء عند تشغيل اليورياز ، وأن سرعة الامتداد الطولي تزداد مع هروب المزيد من أيونات الكربونات من الخلايا الأولية إلى الهيدروجيل المحيط.

ارتبط اقتران النشاط الكيميائي الداخلي بالحركة الميكانيكية بفك الروابط المتقاطعة في الهيدروجيل بسبب إزالة أيونات الكالسيوم عن طريق تكوين جزيئات كربونات الكالسيوم في الموقع ، مما أدى إلى بطء إطلاق الطاقة المرنة في الزنبرك. المجهرية.

على العكس من ذلك ، فإن استعادة أيونات الكالسيوم عن طريق إذابة جزيئات كربونات الكالسيوم باستخدام مجموعة ثانية من الخلايا الأولية المنتجة للحمض المحتوية على الجلوكوز أوكسيديز الموضوعة خارج الخيوط عكس عملية فك اللفافة وإعادة إنشاء الدرجة الحلزونية الأصلية للينابيع القائمة بذاتها.

بناءً على هذه الملاحظات ، استخدم الباحثون خيوط الخلية الأولية الحلزونية كعمود محرك لأداء الأعمال الميكانيكية التي تعمل بالطاقة الأولية. لهذا ، قاموا بتوصيل خلية أولية "عملاقة" واحدة في كل طرف من طرفي الهيدروجيل الملفوف واستغلوا الدمبل الصغيرة كمشغلات صغيرة قائمة بذاتها (انظر الصورة). كان نشاط اليورياز في الخليتين الأوليين العملاقين كافياً لإحداث تمدد جانبي للدمبل. يمكن تقليص الحركة إذا احتوت إحدى الخلايا الأولية العملاقة المتصلة على الجلوكوز أوكسيديز ، والذي يعمل على استعادة الكالسيوم المفقود في موصل الهيدروجيل. وبهذه الطريقة ، يمكن برمجة مجموعة من الأنماط المختلفة للتنقل الكيميائي الميكانيكي في المشغلات الدقيقة عن طريق المعالجة الداخلية للإشارات الكيميائية.

قال البروفيسور ستيفن مان ، المدير المشارك لمركز ماكس بلانك بريستول للبيولوجيا الدنيا (MPBC) في بريستول: "لدينا اهتمام طويل الأمد بالتقنيات الأولية. أحد التحديات الرئيسية هو كيفية ربط مجتمعات الخلايا الأولية ببيئتها لإنتاج علاقات وظيفية يقدم العمل الجديد خطوة في هذا الاتجاه لأنه يوضح كيف يمكن أن تقترن العمليات الكيميائية الداخلية بمحيطها النشط لإنتاج نظام كيميائي ميكانيكي صغير قابل للبرمجة ".

وأضاف الدكتور نينغ جاو ، الذي يعمل أيضًا في MPBC وكلية الكيمياء بجامعة بريستول: "نأمل أن يحفز نهجنا على تصنيع أنواع جديدة من الهياكل الدقيقة التكيفية اللينة التي تعمل عبر مستويات متزايدة من الاستقلالية."

الورقة: "النقل الكيميائي الوسيط في الميكروكتورز المستندة إلى الخلايا الأولية ،" بقلم Gao N ، و Li M ، و Tian L ، و Patil A J ، و Kumar P B V V S ، و Mann S in كيمياء الطبيعة.

تنصل: AAAS و EurekAlert! ليست مسؤولة عن دقة النشرات الإخبارية المرسلة على EurekAlert! من خلال المؤسسات المساهمة أو لاستخدام أي معلومات من خلال نظام EurekAlert.


شاهد الفيديو: الصف التاسع - علوم - الخلايا والمادة الوراثية 9 (ديسمبر 2022).