Mitochondrial ATP synthesis controlled by pH modulator

2018 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17K19041
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Nano/Micro science and related fields
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: Miyake Takeo 早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 准教授 (50551529)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 太田 善浩 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10223843)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2019-03-31
• Keywords: 電気化学式バイオトランスデューサ / pH制御 / ミトコンドリア / ATP合成 / 電子・イオン制御 / プロトン輸送

Outline of Final Research Achievements

In nature, protons (H+) play an important role in biological activities such as in mitochondrial ATP synthesis, which is driven by a H+ gradient across the inner membrane, or in the activation of acid sensing ion channels in neuron cells. Bioprotonic devices directly interface with the H+ concentration (pH) to facilitate engineered interactions with these biochemical processes. Here we develop a H+ biotransducer that changes the pH in a mitochondrial matrix by controlling the flow of H+ between a conductive polymer of sulfonated polyaniline and solution. We have successfully modulated the rate of ATP synthesis in mitochondria by altering the solution pH. Our H+ biotransducer provides a new way to monitor and modulate pH dependent biological functions at the interface between the electronic devices and biological materials.

Free Research Field

バイオイオントロニクス分野

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ヒトなどの生体素材は、柔らかく、化学物質で機能するのに対し、ヒトが作るデバイスは、硬く、電子輸送で機能する。「この相反する素材を如何にして統合するか？」は、近年のウェアラブルデバイス開発市場と相俟って、世界中で関心が高い研究テーマである。申請者は、この課題にいち早く気付き、電気信号を溶液中の水素イオン濃度(pH)信号に変換する革新的デバイスの開発に加え、本デバイスを生体(ミトコンドリア)が既に持つイオン機構と連結されることで、ミトコンドリア内機能(ATP合成)を世界で始めて制御することに成功した。