Математическая логика помогла изучить и использовать ионные токи

Учёные из Университета ИТМО и МГТУ имени Н. Э. Баумана разработали новые методы изучения ионных токов живых организмов. 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.

Результаты работы, поддержанной Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда, опубликованы в журнале Frontiers in Chemistry: Rising Stars.

Поведение ионов можно интерпретировать через логические операции математики. Например, если к металлическим электродам приложить напряжение, то в растворе начнется перемещение протонов — ионов водорода. Протоны распределятся на области с их высоким и низким содержанием. Если присваивать единицу зонам с водородным показателем (рН) ниже некоторого порогового значения, а остальным ноль, то можно провести аналогию с логической операцией «И». За входные данные будет принята поляризация электродов: «1» – положительная, «0» — отрицательная, а за выходные данные — значения pH. Так, операция «И» дает результат «1» (низкое значение pH), только когда оба начальных условия равны «1». Однако при нанесении на электроды соединений, которые способны присоединять и отдавать электроны, – полиэлектролитов – движение ионов в растворе изменяется.

Ученые предположили, что полиэлектролиты, окруженные мембраной, могут быть использованы в моделировании внутриклеточных процессов. Простейшая мембрана состоит из двух слоев липидов, а избирательная проницаемость таких структур с полиэлектролитной «подушкой» позволяет изменять заряд по всей поверхности клетки. Эта реакция схожа с распространением электрического импульса по нерву.

Ученые исследовали влияние покрытия из полиэлектролитов на ток протонов. На поверхность металлических электродов нанесли нанометровые слои отрицательно и положительно заряженных полиэлектролитов — полианионов и поликатионов соответственно. Поликатионы запасали образованные в реакции протоны, а полианионы были необходимы для их обмена. Несмотря на то, что полиэлектролитное покрытие не может влиять на реакции, протекающие на поверхности электродов, модификация вызвала увеличение активности самих электродов. С помощью полиэлектролитов удалось повысить ионный ток.

«В дальнейших исследованиях мы применим электроды с другой организацией при постоянной или импульсной подаче тока и при других значениях разности потенциалов. Это поможет выбрать оптимальные параметры экспериментов с различными полиэлектролитами», — рассказал соавтор статьи, сотрудник Университета ИТМО Николай Рыжков.

Мой район