Bio-baterias

Via EurekAlert:
National Institute of Standards and Technology (NIST)

Modelos de células de poraquês sugerem possibilidades “eletrizantes”



Anatomia do poraquê: O primeiro detalhe mostra as pilhas de eletrócitos, células ligadas em série (para aumentar a voltagem) e em paralelo (para aumentar a corrente).O segundo detalhe mostra uma célula individual com canais e “bombas” percolando a membrana. O modelo Yale/NIST representa o comportamento de várias dessas células. O último detalhe mostra um canal de íons uma das peças de montagem do modelo. (Crédito da ilustração: Daniel Zukowski, Yale University)


Os engenheiros sabem há muito tempo que grandes idéias podem ser tiradas de Mamãe Natureza, mas um novo artigo* preparado por pesquisadores da Universidade Yale e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (National Institute of Standards and Technology = NIST) levam a coisa ao nível celular. Com a aplicação de modernas ferramentas de projeto a uma das unidades básicas da vida, eles argumentam que podem ser produzidas células artificiais que não só reproduzem, como de fato melhoram o desempenho das células elétricas dos poraquês. Versões artificiais das células que geram a eletricidade no poraquê podem ser desenvolvidas para se tornarem fontes de energia para implantes médicos e outros dispositivos pequenos, é o que eles dizem.
O artigo, de acordo com o engenheiro do NIST David LaVan, é um exemplo do relativamente novo campo da biologia de sistemas. “Será que entendemos como uma célula produz eletricidade bem o suficiente para projetar uma — e aperfeiçoar o projeto?”, pergunta ele.
Os poraquês canalizam a energia gerada por milhares de células especializadas, chamadas eletrócitos, até gerar potenciais elétricos da ordem de 600 Volts, de acordo com os biólogos. O mecanismo é similar ao das células dos nervos. A chegada de um sinal químico dispara a abertura de canais altamente seletivos na membrana de um célula, fazendo com que íons de sódio fluam para dentro e íons de potássio fluam para fora. A troca de íons aumenta a voltagem ao longo da membrana, o que causa a abertura de mais canais ainda. A partir de um certo ponto, o processo passa a ser auto-alimentado, resultando em um pulso elétrico que atravessa a célula. Os canais então se fecham e passagens alternativas se abrem para “bombear” os íons de volta a suas concentrações iniciais, durante o estado de “repouso”.
No total, de acordo com LaVan, existem ao menos sete diferentes tipos de canais, cada um com várias possíveis variáveis para manipular, tais como sua densidade na membrana. Células de nervos, que transportam informação em lugar de energia, podem disparar rapidamente mas com uma energia relativamente pequena. Os electrócitos têm um ciclo mais lento, mas liberam mais energia por períodos maiores. LaVan e seu companheiro Jian Xu desenvolveram um complexo modelo numérico para representar a conversão da concentração de íons em impulsos elétricos e o testaram comparando com dados anteriormente publicados sobre eletrócitos e células de nervos para verificar sua precisão. A partir disso, consideraram como otimizar o sistema para maximizar a vazão de energia, através da modificação geral dos tipos de canais.
Seus cálculos mostram que são possíveis melhoramentos substanciais. Um projeto de célula artificial pode gerar mais do que 40% de energia a mais, em um único pulso, do que um eletrócito natural. Outro, poderia produzir valores de pico mais do que 28% maiores. Em princípio, dizem os autores, camadas empilhadas de células artificiais em um cubo ligeiramente maior do que 4 mm de aresta são capazes de produzir um fluxo de corrente contínuo de cerca de 300 microWatts para ativar pequenos dispositivos implantados. As fabricações dos componentes individuais de tais células artificiais — inclusive um par de membranas artificiais separados por uma camada isolante e canais de íons, que podem ser criados pela engenharia sobre proteínas  — já foram demonstrados por outros pesquisadores. Tal como em sua contraparte natural, a fonte de energia para as células seria do trifosfato de adenosina (ATP), sintetizado a partir dos açúcares e gorduras do corpo, com o uso de bactérias ou mitocôndrias específicas.

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* J. Xu e D.A. LaVan. “Designing artificial cells to harness the biological ion concentration gradient”. Nature Nanotechnology, publicado online em 21 de setembro de 2008.

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