Electro e le anguille: le nuove sfide della bioelettrica

L’elettricità dalle mille utilità e applicazioni è anche alla base di numerosissimi processi biologici, come per esempio l’attività muscolare e  nervosa. Esistono esseri viventi come le anguille che fanno dell’elettricità una propria peculiarità, che oggi è diventata oggetto di studio interessante che potrebbe avere vari seguiti e applicazioni.

Anche il nostro amichevole Spiderman di quartiere si è ritrovato a dover combattere contro un villain che ha fatto dell’elettricità la sua arma e il suo punto di forza. Stiamo parlando di Electro, alias Max Dillon. Max lavora alla Oscorp come ingegnere elettronico e diventa Electro dopo essere stato fulminato dalla corrente che fluisce fuori da alcuni cavi ed essere caduto in una vasca di anguille elettriche che amplificano gli effetti dell’incidente.

L’elettricità nei sistemi biologici: dal muscolo ai neuroni

Nei sistemi biologici i fenomeni elettrici sono alla base di molti processi cellulari di una certa rilevanza. Di fondamentale importanza per lo svolgimento delle funzioni vitali sono la presenza, le variazioni e il ripristino di differenze elettriche fra i versanti intra ed extracellulari. In tutte le cellule dei tessuti viventi sono rilevabili differenze di potenziale elettrico esistenti tra il versante intracellulare e quello extracellulare della membrana plasmatica che vanno a definire il potenziale di membrana.

Potenziale di membrana

L’entità del potenziale di membrana è assai modesta e varia e a seconda del tipo di cellula varia da 5 a 100 mV. Esso è definito in modo tale che l’interno della cellula risulta carico negativamente rispetto all’esterno e viene mantenuto sufficientemente costante dall’incessante attività metabolica cellulare. In alcune cellule, come quelle nervose o muscolari, il potenziale di membrana, detto in questo caso potenziale di riposo presenta le caratteristiche sopra descritte solo quando esse si trovano in condizioni di riposo, ma quando vengono eccitate, tali cellule danno luogo a rapide variazioni del potenziale di membrana che, nel loro insieme, costituiscono il potenziale d’azione. La genesi dei potenziali di membrana è da attribuirsi alle caratteristiche di permeabilità della membrana cellulare, che permette ad alcune molecole vettrici di carica elettrica (ioni), ma non ad altre, di attraversarla. Questa permeabilità selettiva è causa di una diseguale distribuzione di ioni ai due lati della membrana e, quindi, dell’instaurarsi di gradienti di potenziale elettrico e di concentrazione. La comprensione dei meccanismi responsabili dei fenomeni elettrici dei tessuti viventi si fonda quindi sulla conoscenza della struttura e del ruolo funzionale della membrana cellulare.

Le anguille e l’elettricità: un legame indissolubile

L’elettroforo Electrophorus electricus, conosciuto comunemente come anguilla elettrica, è un pesce d’acqua dolce appartenente alla famiglia Gymnotidae. È conosciuto soprattutto per la sua capacità di generare, tramite dei muscoli modificati disposti lungo i suoi fianchi, dei potenti campi elettrici, sviluppando una differenza di potenziale dell’ordine di alcune centinaia di volt, che utilizza sia per la caccia sia per l’autodifesa. La capacità di generare questi campi elettrici è dovuta a delle cellule speciali, di origine muscolare, denominate elettrociti, cellule piatte, a forma di disco, all’interno delle quali scorre la corrente elettrica. Al momento di liberare la scossa elettrica, per esempio per catturare una preda, i canali ionici situati sulla membrana di queste cellule si aprono, permettendo il libero passaggio di ioni sodio, carichi positivamente, che entrano nelle cellule stesse invertendone momentaneamente la carica e generando perciò una scarica.

Electrophorus electricus

Il meccanismo è simile a quello di una batteria che produce una carica elettrica. Lungo i fianchi del pesce gli elettrociti, presenti in un numero che va dai 5.000 ai 6.000, possono produrre in questo modo una scarica di 500/600 Volt e un flusso di corrente pari ad 1 Ampere, quindi una potenza di 500/600  Watt. Una scarica di questo tipo rende questa specie di anguilla il pesce elettroforo più forte, seguìto dai pesci gatto elettrici , e dalle Torpedini, e anche uno degli animali più pericolosi delle foreste sudamericane: un’anguilla adulta è capace di uccidere con le sue scariche un uomo adulto e sano.Oltre a questa devastante scarica, che il pesce utilizza per la caccia o l’autodifesa, questo pesce è in grado di generare anche campi elettrici di più lieve intensità, che utilizza principalmente per l’elettrolocalizzazione. Questi campi elettrici, dell’ordine di 10-15 volt, giocano un ruolo importante per la localizzazione non solo delle prede, ma anche per la comunicazione con altri esemplari della stessa specie, e probabilmente nella ricerca del partner e nell’accoppiamento.

Le nuove possibili applicazioni della Bioelettrica in ambito clinico

Cellule stampate 3D imitano la produzione di energia delle anguille, ideate da un team di ricercatori dell’Institut Adolphe Merkle dell’Université di Friburgo e delle università del Michigan e della California, ha sviluppato una fonte di energia che si ispira all’anguilla elettrica dimostrando che le batterie auto-alimentate utilizzate per delle applicazioni biologiche, come dei pacemaker o delle protesi, potrebbero diventare una realtà. L’anguilla elettrica ha dato ai ricercatori l’idea: impiantare nel corpo umano delle fonti di energia autoricaricabili per dispositivi quali degli stimolatori cardiaci, dei sensori, delle protesi o anche delle pompe per somministrare de medicinali.L’integrazione di tecnologie dentro un organismo vivente richiede, in effetti, una fonte di energia biocompatibile, flessibile e in grado di ricaricarsi all’interno dello stesso sistema biologico. La produzione di elettricità all’interno del corpo eliminerebbe in alcuni casi la necessità di interventi chirurgici sostitutivi e potrebbe anche fornire energia per dispositivi indossabili come lenti a contatto elettricamente attive con display integrato.  Il team di ricerca guidato dal biofisico Michael Mayer dell’Institut Adolphe Merkle ha quindi progettato una fonte di energia che si basa sullo stesso principio, generando elettricità grazie alla differenza di salinità tra dei compartimenti di acqua salata e di acqua dolce separati da membrane ionoselettive. «Mettere questi compartimenti e queste membrane in sequenze ripetute centinaia di volte, un po’ come le batterie di una torcia, permette di generare fino a 110 volt, partendo solo dal sale e dall’acqua, spiegano ancora i ricercatori svizzeri e americani.  Ogni componente di questa fonte di energia è costituito da un idrogel, una gabbia polimerica dall’aspetto solido che contiene acqua e che lascia passare gli ioni di sale. Questi componenti possono essere assemblati su delle pellicole di plastica trasparente utilizzando una stampante  3D. Il ricercatore avverte sul fatto che i risultati sono ancora lontani dal raggiungere le capacità delle anguille. La più grande sfida sarà quella di sfruttare l’energia metabolica del corpo, per esempio mobilitando le differenze di ioni in diverse zone, come i fluidi gastrici, o convertendo l’energia meccanica dei muscoli in energia elettrica, che potrebbe essere stoccata e in seguito essere diffusa da un organo elettrico artificiale.

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