Российские ученые из Университета ИТМО и МГТУ имени Н. Э. Баумана разработали методы исследования ионных токов, за счет которых в живых организмах осуществляется передача информации. В лаборатории можно проводить химические реакции, схожие с природными, и изучать поведение ионов в зависимости от условий. Исследования показали, что изменения в ионных токах можно сопоставить с работой операторов математической логики. Совмещение этих подходов позволяет моделировать возможный обмен информацией между живыми и неживыми системами. Работа поддержана Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале Frontiers in Chemistry: Rising Stars.

Создание надежных моделей передачи информации в биологических системах уже много лет остается сложной задачей. Основные усилия брошены на моделирование природных процессов с помощью компьютерных алгоритмов. Проблема этого направления состоит в том, что в живых организмах в процессе переноса участвуют ионы (заряженные частицы), а в компьютерах – электроны. В модельных системах поведение ионов интерпретируется через логические операции в математике. Например, если приложить к металлическим электродам разность потенциалов, то в растворе, в который они помещены, будет наблюдаться перемещение ионов водорода (протонов). Происходит уникальное распределение на области с их высоким и низким содержанием. Если присваивать единицу зонам с водородным показателем (pH, отражает концентрацию ионов водорода) ниже некоторого порогового значения, а остальным – ноль, то можно провести аналогию с логической операцией «И», где за входные данные (начальные условия) принимается поляризация электродов: «1» – положительная, «0» – отрицательная, а выходные данные (результаты) – значения pH. Операция «И» дает результат «1» (низкое значение pH), когда оба начальных условия равны «1», то есть поляризация обоих электродов положительная. Разные пары электродов могут соотноситься с другими типами логических операций или даже последовательности этих операций.

При нанесении на электроды некоторых полимерных соединений, которые способны присоединять и отдавать электроны, – полиэлектролитов – изменяется диффузия ионов в растворе. Ученые исследовали влияние полиэлектролитного покрытия на ток протонов, обусловленный протеканием реакции окисления (отдачи электронов). Распространение волны ионов водорода происходит согласно закону диффузии: из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией. На поверхность металлического электрода были нанесены нанометровые слои отрицательно и положительно заряженных полиэлектролитов (полианионы и поликатионы соответственно). Поликатионы запасают образованные в реакции протоны, а полианионы необходимы для их обмена. Несмотря на то, что полиэлектролитное покрытие не влияет на реакции окисления и восстановления, протекающие на поверхности электродов, такая модификация вызвала увеличение активности самих электродов. С помощью полиэлектролитов можно усилить ионный ток и, соответственно, проведение сигнала. Некоторые специфические покрытия могут служить защитой от коррозии за счет стабилизации кислотности.

Во время планирования эксперимента ученые предположили, что полиэлектролиты, окруженные мембраной, могут быть использованы в моделировании внутриклеточных процессов. Простейшая мембрана состоит из двух слоев липидов, молекул с гидрофильными и гидрофобными участками. Избирательная проницаемость таких структур с полиэлектролитной «подушкой» позволяет изменять заряд по всей их поверхности. Эта реакция схожа с распространением возбуждения по нерву.

Концентрация ионов водорода также может рассматриваться как параметр при подсчете энтропии – меры беспорядка системы. Процесс самоорганизации сопровождается увеличением упорядоченности и, соответственно, уменьшением энтропии. Изменения в распределении протонов в экспериментах с обычными электродами, а также модифицированными с помощью полиэлектролитов и мембранных структур, могут быть ассоциированы с явлением самоорганизации в биологических системах. Кроме этого, работа с полиэлектролитными покрытиями открывает перспективы для контролируемой самосборки новых материалов в переменном электрическом поле. Данное направление также важно для изучения динамических явлений в системах с хаотическим поведением или с нелинейными колебаниями.

«Дальнейшие исследования будут проводиться с использованием электродов с другой организацией в режимах при постоянной или импульсной подаче тока, при других значениях разности потенциалов, – говорит один из авторов статьи, сотрудник Лаборатории растворной химии передовых материалов и технологий Николай Рыжков. – Это поможет в выборе наиболее оптимальных параметров проведения экспериментов для различных полиэлектролитов».

Похожие новости

  • 05/10/2019

    Определены победительницы конкурса «Для женщин в науке» L'OREAL - UNESCO 2019 года

    ​Победительницами конкурса "Для женщин в науке" L'OREAL - UNESCO 2019 года стали 10 ученых из Москвы, Казани, Новосибирска, Томска и Владивостока. Каждая из них получит стипендию в 500 тыс. рублей, говорится в сообщении на сайте конкурса, опубликованном 4 октября.
    2738
  • 07/11/2019

    Более 30 студентов и аспирантов ТПУ получили стипендии Президента и Правительства РФ

    ​В числе стипендиатов Президента РФ — четыре студента и семь аспирантов Томского политехнического университета. Стипендию Правительства России будут получать 13 студентов и семь аспирантов. В течение учебного года, помимо основной, они ежемесячно будут получать дополнительную стипендию.
    1090
  • 26/10/2020

    Кому нужен диплом? Эксперты о ценности высшего образования

    Уровень безработицы в России вырос до 6,4%. В январе 2020 г. безработными числились 3 482 000 человек, с марта по сентябрь этот показатель увеличился до 4 808 000. Из-за кризиса на рынке труда, подстегиваемого коронавирусом, обладатели дипломов вузов готовы сейчас работать курьерами, помощниками по хозяйству, администраторами.
    353
  • 09/07/2020

    Штамм действий: двойной тест предскажет тяжелую форму COVID-19

    ​Вероятность тяжелого течения COVID-19 можно предсказать при одновременном проведении стандартного теста ПЦР на наличие коронавируса и теста на антитела IgM. Именно эти белковые молекулы вырабатываются в самом начале заболевания.
    6169
  • 20/10/2020

    Более 15 млн участников: XV юбилейный Всероссийский фестиваль NAUKA 0+ завершился рекордами

    ​18 октября в Москве завершился столичный этап юбилейного Всероссийского фестиваля NAUKA 0+, который в этом году прошёл онлайн и за 5 дней собрал рекордное количество участников – более 15 млн пользователей со всего мира стали гостями крупнейшего научно-популярного события.
    365
  • 12/11/2020

    Предметный рейтинг агентства RUR: Иркутский и Алтайский госуниверситеты

    ​​Иркутский государственный университет вошел в очередной предметный рейтинг лучших вузов, составленный экспертами агентства Round University Ranking (RUR). Согласно данным, в мировом рейтинге Life Sciences (Науки о жизни, включают исследования в области биологии, биохимии, экологии и ряда смежных специальностей) ИГУ поднялся на 522-е место, в рейтинге вузов России — на 22 место (в 2019 году — 538-е и 26-е место, соответственно).
    351
  • 10/03/2018

    Лаборатория на стыке наук и поколений: нанозимы, ферменты и магнитные поля на службе у медицины

    ​Как наладить совместную работу химиков и физиков на благо медицины, каким образом программа мегагрантов помогает путешествовать по России, как магнитное поле может влиять на биохимические процессы в человеческом организме и чем занимается созданная в рамках программы лаборатория дизайна бионаноматериалов, читайте в интервью Indicator.
    1119
  • 28/01/2020

    «Открытую лабораторную» проведут в День российской науки

    ​8 февраля состоится четвертая по счету просветительская акция «Открытая лабораторная». Каждый желающий сможет проверить свою картину мира с точки зрения передовых естественно-научных знаний. Поучаствовать в «Лабе-2020» можно будет как офлайн, так и онлайн на сайте laba.
    1884
  • 16/11/2020

    Бактериофаг свидетельствует в пользу вирусной теории происхождения клеточного ядра

    ​​Ученые из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (МГУ) и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого впервые установили, как изменяется бактериальная клетка при заражении гигантским вирусом бактерий — бактериофагом phiKZ.
    485
  • 10/11/2020

    В Иркутске завершился Всероссийский фестиваль NAUKA 0+

    В эти выходные центральная региональная площадка Фестиваля NAUKA 0+ в Иркутске провела заключительные мероприятия. Всероссийский фестиваль NAUKA 0+ в этом году отметил юбилей – 15 лет. Главной темой была выбрана «Физика будущего».
    356