Designing artificial cells to harness the biological ion concentration gradient

功率密度 人工细胞 导电体 材料科学 纳米尺度 工作(物理) 纳米技术 离子运输机 离子 功率(物理) 生物物理学 化学 物理 热力学 复合材料 生物 量子力学 有机化学 生物化学
作者
Jian Xu,David A. LaVan
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:3 (11): 666-670 被引量:226
标识
DOI:10.1038/nnano.2008.274
摘要

Cell membranes contain numerous nanoscale conductors in the form of ion channels and ion pumps that work together to form ion concentration gradients across the membrane to trigger the release of an action potential. It seems natural to ask if artificial cells can be built to use ion transport as effectively as natural cells. Here we report a mathematical calculation of the conversion of ion concentration gradients into action potentials across different nanoscale conductors in a model electrogenic cell (electrocyte) of an electric eel. Using the parameters extracted from the numerical model, we designed an artificial cell based on an optimized selection of conductors. The resulting cell is similar to the electrocyte but has higher power output density and greater energy conversion efficiency. We suggest methods for producing these artificial cells that could potentially be used to power medical implants and other tiny devices.
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