ScienceDaily (Oct. 3, 2008) — 工程師們長久以來都知道大自然一向是值得我們學習的好老師，許多令人讚嘆的設計也都是由大自然而得到啟發。現在，來自耶魯大學（Yale University）以及美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，簡稱 NIST）把這樣的概念帶入細胞層次的研究中。
圖1. Electric eel anatomy: The first detail shows stacks of electrocytes, cells linked in series (to build up voltage) and parallel (to build up current). Second detail shows an individual cell with ion channels and pumps penetratimng the membrance, The Yale/NIST model represents the behavior of several such cells. Final detail shows an individual ion channel, one of the building blocks of the model.
生活的基本要件之一便是應用現代工程設計工具，他們設計了一種人造的細胞，這種細胞不僅能複製電鰻的放電行為，而且事實上效果更好。這種人造的電鰻放電細胞將來可以針對醫學上的需求發展成微小系統的電源供應器，他們這樣說到。
根據 NIST 工程師 David LaVan 在這篇論文中的說法，這個樣品將會成為系統生物學裡的新領域。「當我們瞭解了細胞是如何製造出電力之後，我們能夠去設計它－而且將這個設計最佳化嗎？」他這樣問到。
圖2. 製造出模擬電鰻的人造細胞之 David LaVan 教授
電鰻通道裡面佈滿了上千個特殊的細胞，這種細胞稱為「electrocytes」，當這種細胞一起運作時，可以發出餘 600 伏特的電力。他的運作機轉很類似神經細胞。當一個化學訊號抵達時，會觸發這個存在於細胞膜上具有高度選擇性的通道被開啟，此時鈉離子會從細胞外面流進來，而鉀離子則會流出去。離子的交換則會增加細胞膜兩側的電位差，如此便能讓更多的通道被開啟，這樣便能讓電流脈衝在細胞之間穿梭。最後，這些通道便會關閉，換成另一種「幫浦」途徑被打開，將這些離子打出去，讓整個系統回復到初始的濃度狀態下，這便是所謂的「休息狀態」。整個流程如下圖 3 ～ 圖 7 所示：
圖3. 鈉離子與鉀離子電子流：Resting state（圖片來源：http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-13/1313.jpg）
圖4. 鈉離子與鉀離子電子流：Depolarizing phase（圖片來源：http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-13/1313.jpg）
圖5. 鈉離子與鉀離子電子流：Repolarizing phase（圖片來源：http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-13/1313.jpg）
圖6. 鈉離子與鉀離子電子流：Hyperpolarizing phase（圖片來源：http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-13/1313.jpg）
圖7. 離子通道及膜電位差改變圖（圖片來源：http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-13/1313.jpg）
根據 LaVan 的研究，所有的通道至少有七種不同的型態，每一個都有數種可能的變異性來扭轉，使他們存在於細胞膜上。神經細胞他們可以快速的傳輸許多的資訊而不是能量，而且過程中所消耗的能量相當的少。Electrocytes 則有著較慢的循環，不過他可以在較長的時間下傳遞更多的能量。LaVan 與他的同事 Jian Xu 發展出一種複雜的數值模式來表示離子濃度轉變成電子訊號的過程，並且測試早先針對 electrocytes 與神經細胞已經發表過的數據，看看是否能驗證其精準度。接著他們便開始著手研究如何將這個系統所輸出的能量最大化，他們運用的方法則是混合所有不同型態的通道來達成。
根據他們的計算顯示出確實有可能做到。其中一項設計便是讓這個人工細胞在單一脈衝裡能比天然的 electrocyte 還要多產生出四成的能量。而其他將產生輸出波能超過兩成八。作者說：理論上，人造細胞的堆疊層體積每一側大約比 4 公釐多一些，它可以產生連續能量約 300 微瓦特（microwatts）來驅動一些小型的移植裝置器。
其他類似於人造細胞的獨立成分 － 包含被絕緣分散及離子通道的成對之人造胞膜加以分離等，都可以藉著工程蛋白質來製造 － 這些正由其他的研究人員進行開發當中。就像是自然的副本一樣，細胞的能量來源也是靠著腺核苷三磷酸（adenosine triphosphate，簡稱 ATP）所提供，這個物質是由人體內的糖與脂肪，透過定做的細菌或粒腺體（mitochondria）所合成。
圖8. ATP 化學結構。ATP 是一種細胞能量的主要來源。透過結構中磷酸鍵斷裂所生成的能量，可以驅動許多生化反應的進行。如果要講的白話一些，那麼可以將 ATP 看做是細胞世界裡面的「通用貨幣」，透過這個「貨幣」的交易制度，讓細胞可以產生能量、可以購買能量、可以運輸貨物，也可以消費能量。因此 ATP 對於生物的存活來說相當相當的重要！
Journal reference:
Xu et al.
Designing artificial cells to harness the biological ion concentration gradient.
Nature Nanotechnology, September 21, 2008;
DOI: 10.1038/nnano.2008.274
Adapted from materials provided by National Institute of Standards and Technology.
原始報導：
ScienceDaily：Artificial Cells: Models Of Eel Cells Suggest Electrifying Possibilities
相關連結：
1. NIST NEWS：Models of Eel Cells Suggest Electrifying Possibilities