살아있는 세포는 움직임을 통해 전기를 생성할 수 있다.

활성 세포막의 개략도. 일반적인 활성 생물학적 과정에서 세포막(파란색) 내의 활성 단백질(다양한 색상으로 표시)은 ATP 분자(흰색과 빨간색으로 표시)와 같은 다양한 생물학적 구성 요소와 상호작용합니다. 이러한 활성 단백질의 상호작용은 세포막 내에서 활성 잡음(변동)력을 발생시켜 세포막의 평면 외 변위에 기계적으로 영향을 미칩니다. 세포막의 굴곡전기적 결합으로 인해 평면 외 변위의 변화는 세포막의 막횡단 전압 변화를 유도하여 에너지 수확, 이온의 능동 수송, 그리고 세포막을 가로지르는 전류 생성으로 이어집니다. (이미지 제공: Pratik Khandagale, Liping Liu, Pradeep Sharma)

과학자들이 살아있는 세포가 스스로 전기를 생성하는 새로운 이론적 설명을 개발했습니다. 이 아이디어의 핵심은 모든 살아있는 세포를 둘러싸고 있으며 세포 안팎으로 물질의 출입을 조절하는 얇고 유연한 막인 세포막입니다. 이 세포막은 정적인 장벽이 아니라 아주 미세한 규모에서 끊임없이 움직이고 형태를 바꿉니다. 새로운 이론은 이러한 미세한 움직임이 실제 전기적 효과를 발생시킬 수 있음을 보여줍니다.

이번 연구는 프라딥 샤르마 교수와 그의 동료들이 주도했으며, 세포 내부의 물리적 힘이 생물학적 활동과 어떻게 상호작용하는지 탐구하기 위한 수학적 모델을 개발했습니다. 그들의 연구는 분자 수준의 움직임이 세포막을 가로지르는 전기 신호로 어떻게 변환되는지에 초점을 맞추고 있습니다.

막을 움직이게 하는 분자 활동

모든 세포 내부에서 단백질은 끊임없이 모양을 바꾸고, 다른 분자들과 상호작용하며, 화학 반응을 수행합니다. 중요한 과정 중 하나는 ATP 가수분해인데, 이는 세포가 아데노신 삼인산(ATP)을 분해하여 에너지를 방출하는 과정입니다. 이러한 활발한 생물학적 과정들은 조용히 일어나는 것이 아닙니다. 세포막을 밀고 당기면서 세포막이 휘어지고, 물결치고, 진동하게 만듭니다.

이 모델은 이러한 지속적인 막 운동이 굴곡전기라는 현상을 유발할 수 있음을 보여줍니다. 굴곡전기는 물질이 구부러지거나 변형될 때 전기적 반응이 발생하는 현상입니다. 이 경우, 세포막의 굴곡은 세포 내부와 외부 사이에 전기적 차이를 만들어낼 수 있습니다.

신경 신호와 유사한 전압 레벨

이 틀에 따르면, 막을 가로질러 발생하는 전기 전압은 놀라울 정도로 강할 수 있습니다. 어떤 경우에는 최대 90밀리볼트에 달할 수 있습니다. 이 수치는 뉴런이 전기 신호를 발화할 때 나타나는 전압 변화와 유사하기 때문에 주목할 만합니다.

타이밍 또한 신경계에서 일어나는 현상과 일치합니다. 전압 변화는 밀리초 단위로 발생할 수 있는데, 이는 뉴런의 전형적인 활동 전위 곡선의 모양과 속도와 매우 유사합니다. 이는 동일한 물리적 원리가 신경 세포 간의 소통에도 관여할 수 있음을 시사합니다.

자연적인 기울기에 반하는 이온 이동 유도

이 이론은 더 나아가 이러한 막 구동 전압이 이온을 능동적으로 이동시킬 수 있다고 예측합니다. 이온은 세포가 신호를 전달하고 균형을 유지하는 데 사용하는 전기적으로 대전된 원자입니다. 일반적으로 이온은 전기화학적 기울기를 따라 흐르는데, 이는 농도가 높은 영역에서 낮은 영역으로 이동한다는 것을 의미합니다.

새로운 모델은 활발한 막 변동이 이온을 반대 방향으로 밀어내어 전위 기울기에 반하는 작용을 할 수 있음을 시사합니다. 연구진은 이러한 현상을 막의 특정 특성, 예를 들어 신축성과 전기장에 대한 반응성과 연관시켰습니다. 이러한 특성은 이온이 어느 방향으로 이동하고 어떤 종류의 전하를 띠는지 결정하는 데 도움을 줍니다.

단일 세포에서 조직 및 신소재까지

저자들은 앞으로 이 프레임워크가 개별 세포를 넘어 확장될 수 있다고 제안합니다. 동일한 원리를 세포 집단에 적용함으로써 과학자들은 어떻게 조화로운 막 활동이 조직 전체에 걸쳐 더 큰 규모의 전기적 패턴으로 이어지는지 탐구할 수 있을 것입니다.

연구진은 이 메커니즘이 감각 지각, 신경 세포 발화, 심지어 살아있는 세포가 내부적으로 에너지를 얻는 방식까지 이해하는 데 물리적 기반을 제공한다고 주장합니다. 또한, 이 메커니즘은 신경과학과 생체 모방 및 물리적으로 지능적인 소재 개발을 연결하여 살아있는 조직의 전기적 행동을 모방하는 시스템을 설계하는 새로운 방법을 제시할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251216081930.htm