Мы – электрические. Новая наука об электроме тела

Возвращение кальмара

Транзистор – это маленькая кремниевая деталь в вашем компьютере, которая позволяет включать и выключать проходящий через него электрический ток. Я не хочу здесь особенно подробно обсуждать устройство транзистора, так что просто поверьте мне: это важнейший элемент современных вычислительных машин, и что в вашем компьютере, и в телефоне, и во всех цифровых электронных приборах содержатся миллионы этих крохотных деталей, которые обеспечивают фантастические способности этих машин.

Транзистор Роланди никоим образом не походил на чрезвычайно сложные и изящно спаянные устройства в наших компьютерах. Он не был ни технологичным, ни изящным – лишь несколько мокрых на вид нановолокон хитозана, выделенных из пера кальмара (рудиментарной твердой внутренней пластинки, оставшейся от оболочки древних предков этого моллюска). Это достаточно мягкий и пластичный материал, так что изготовленный из него мозговой протез может вызывать лишь минимальные повреждения, но его главное преимущество заключалось в другом. Привлекательность этого транзистора в том, что, в отличие от модных полупроводников, открывающих двери току электронов, он контролирует ток протонов.

Но почему же нас интересуют протоны?

Как мы обсуждали в седьмой главе, протоны – это ионы водорода. Исследователи хорошо понимают их функцию, поскольку досконально изучили их участие в реакциях производства энергии в клетках[431]. Кроме того, протоны – ключевой фактор, определяющий кислотность среды внутри клетки и за ее пределами. Это один из самых тщательно регулируемых биологических механизмов[432]. Но, если честно, это все довольно скучно.

Интереснее вот что: протоны контролируют мембранный потенциал клетки и тем самым определяют концентрацию ионов натрия и калия и, следовательно, идентичность клетки в процессе регенерации и при развитии рака. “Неважно, какие ионы или ионные каналы использовать для контроля потенциала, – рассказывает Дэни Спенсер Адамс. – Важно, какое биоэлектрическое состояние они создают”. Проще всего оказалось использовать протоны. Пришлось только позаимствовать у дрожжей один ген, который отвечает за их производство. Адамс и Левин использовали этот подход для стимуляции зеркального расположения органов в эмбрионе лягушки.

Контроль потока протонов позволяет делать нечто, что раньше было невозможным, – сочетать эффективность лекарства с локальной точностью электрического разряда. Если удастся создать электрическое устройство, управляющее градиентом протонов, как при регенерации частей тела лягушки, но более точным образом, чем это делают лекарства, у нас появится совершенно новая возможность для развития биоэлектрической медицины: лучшие достижения в этих двух сферах позволят объединить силу лекарств, действующих на ионные каналы, и электроцевтику.

Чем больше узнаешь о протонах, тем понятнее становится, почему Роланди так воодушевило устройство, способное контролировать их поток. Манипуляция клеточными протонами дает возможность точно настраивать клеточное электричество, не привлекая электроны или другие ионы. “Это действительно просто, – рассказывает Адамс. – В протонном насосе нет ничего сложного – это всего лишь один белок”. Следовательно, его легко ввести в организм. Выделив такие белки из дрожжей, Адамс вколола их в эмбрионы лягушки. А дальше “протонный насос собирается самопроизвольно”. Ток изменяет концентрацию протонов в клетке, а это, в свою очередь, изменяет мембранный потенциал, что влияет на идентичность клетки. Вскоре в экспериментах Адамс соизволили вновь регенерировать клетки, которые не регенерировали прежде. Это работало и в обратную сторону: Адамс сумела перекрыть регенеративную способность регенерирующих клеток лягушки, отравив один из протонных насосов и тем самым отключив его функцию. “Не имеет значения, как вводить и как контролировать протоны, – комментирует она. – Важно лишь напряжение”.

За десять лет, прошедшие после создания своего первого хитозанового устройства, Роланди его усовершенствовал и сделал много других. И он был не одинок. В целом биологические материалы из головоногих моллюсков становятся привлекательным объектом исследований. Например, как выяснилось, хитозан может впитывать гораздо больше крови, чем традиционные повязки, и поэтому он широко используется для перевязки ран в военных условиях.

Но исследователи стали обращать более пристальное внимание на разные части тела кальмара именно из-за их электрических свойств. Хитозан из пера кальмара проводит не только протоны, но и другие ионы. Белок из кожи кальмара, который рассеивает свет и закономерно называется рефлектином, тоже проводит протоны. Даже чернила, которые это животное выбрасывает в целях защиты, содержат пигмент эумеланин, обладающий смешанной проводимостью[433].