Ondulações nas membranas das células podem gerar eletricidade via flexoeletricidade

Ondulações minúsculas nas membranas gordurosas que envolvem as nossas células podem, ao pé da letra, pulsar com eletricidade - funcionando como uma fonte de energia “oculta” capaz de ajudar no transporte de materiais e talvez até participar da comunicação do corpo.

Membranas celulares que ondulam e geram tensão

Pesquisadores da University of Houston e da Rutgers University, nos EUA, propõem que pequenas ondulações nessas membranas lipídicas seriam capazes de produzir voltagem suficiente para atuar como uma fonte direta de energia em certos processos biológicos.

Essas flutuações já foram investigadas em detalhe há algum tempo, e sabe-se que elas são impulsionadas tanto pela atividade de proteínas inseridas na membrana quanto pela quebra de adenosina trifosfato (ATP), o principal meio de transportar energia dentro das células.

O estudo mais recente acrescenta suporte teórico à ideia de que esses “tremores” da membrana podem ser intensos o bastante - e também organizados o suficiente - para formar uma carga elétrica aproveitável pelas células em tarefas importantes.

O papel da flexoeletricidade e das flutuações ativas

"As células não são sistemas passivos – elas são movidas por processos ativos internos, como a atividade de proteínas e o consumo de ATP", escrevem os pesquisadores no artigo publicado.

"Mostramos que essas flutuações ativas, quando acopladas à propriedade eletromecânica universal da flexoeletricidade, podem gerar voltagens transmembrana e até impulsionar o transporte de íons."

Para entender o modelo proposto, o conceito central é a flexoeletricidade, que descreve, em termos gerais, como uma voltagem pode surgir entre pontos com deformações (tensões mecânicas) diferentes dentro de um material.

As membranas se curvam o tempo todo porque o calor se distribui de forma aleatória no interior da célula. Em princípio, em condições de equilíbrio, qualquer voltagem criada desse modo deveria se anular, o que tornaria o efeito inútil como fonte de energia.

Os autores argumentam, porém, que células não operam em equilíbrio estrito: há uma atividade constante no interior celular “trabalhando” para manter o organismo vivo. Ainda assim, para saber se isso bastaria para transformar uma membrana lipídica num tipo de motor, foram necessárias formulações detalhadas.

O que os cálculos indicam para sinais nervosos e transporte de íons

De acordo com os cálculos apresentados pela equipe, a flexoeletricidade poderia gerar uma diferença elétrica entre o lado interno e o externo da célula de até 90 milivolts - uma carga suficiente para disparar um neurónio.

A voltagem resultante também poderia contribuir para o deslocamento de íons, isto é, átomos carregados cujo comportamento é controlado pelo fluxo de eletricidade e por substâncias químicas.

Nesse cenário, as flutuações da membrana seriam capazes de interferir em funções biológicas como o movimento muscular e os sinais sensoriais. O grupo estima que as cargas aparecem numa escala de milissegundos, o que combina com o ritmo dos sinais que se propagam pelas células nervosas.

"Nossos resultados revelam que a atividade pode amplificar significativamente a voltagem e a polarização transmembrana, sugerindo um mecanismo físico de colheita de energia e transporte direcionado de íons em células vivas", escrevem os pesquisadores.

Possíveis impactos em tecidos e em materiais bioinspirados

As implicações, segundo os autores, podem ir além de uma célula isolada: o efeito também poderia atuar em grupos de células, ajudando a explicar como membranas celulares se coordenam para produzir efeitos de maior escala em tecidos. A partir daqui, estudos futuros podem testar se tudo isso funciona como o esperado dentro do corpo.

As conclusões também podem extrapolar os tecidos vivos. Os pesquisadores levantam a possibilidade de usar técnicas semelhantes de geração de eletricidade como inspiração para o desenvolvimento de redes de inteligência artificial e de materiais sintéticos baseados na natureza.

"Investigar a dinâmica eletromecânica em redes de neurónios pode fazer a ponte entre a flexoeletricidade molecular e o processamento complexo de informações, com implicações tanto para compreender a função cerebral quanto para descobrir materiais computacionais bioinspirados", escrevem os pesquisadores.

A pesquisa foi publicada na PNAS Nexus.