Time-Resolved Ultraviolet Resonance Raman Study of Photochemical Reaction of UV-B Photoreceptor Proteins

• Project/Area Number: 18J01307
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Physical chemistry
• Research Institution: Tohoku University (2020); Osaka University (2018-2019)
• Principal Investigator: 田原 進也 東北大学, 薬学研究科, 助教
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 時間分解紫外共鳴ラマン分光法 / ミオグロビン / 原子間接触 / 紫外光受容タンパク質 / 紫外共鳴ラマン分光法

Outline of Annual Research Achievements

本年度はUVR8のマイクロ秒から秒の時間領域のタンパク質構造ダイナミクスを観測する実験を行う予定であった。特に野生型UVR8の芳香族アミノ酸の時間分解紫外共鳴ラマンスペクトルを取得し、光反応中間体を検出したいと計画していた。そしてこれを基にUVR8の機能発現機構と生理機能を考察する計画であった。しかし本年度は新型コロナウィルス流行による大阪大学の入構制限や申請者の東北大学への異動が重なり、研究が思うように進まなかった。特に芳香族アミノ酸の時間分解紫外共鳴ラマン分光測定は大阪大学水谷研究室でしか行えないため、本研究計画を遂行するのは極めて困難な状況であった。本研究課題については、県外移動や大学入構等の制限が撤廃された段階で再開したいと考えている。
一方で本研究課題と並行し、ヘムタンパク質ミオグロビンのピコ秒領域の動作機構に関する研究を行ってきた。ミオグロビンのヘムの鉄原子には一酸化炭素が結合する。ヘムを光励起すると、一酸化炭素が解離し、ヘム近傍のEヘリックスが動くことが知られていた。本研究では野生型ミオグロビンとV68A変異体のEヘリックスの動きをピコ秒時間分解紫外共鳴ラマン分光法により観測した。その結果、この動きが一酸化炭素とEヘリックスのVal68側鎖とのファンデルワールス接触の解消によるものであることが初めて明らかとなった。これは超高速のタンパク質ダイナミクスが原子間の接触変化によって駆動され得ることを初めて示した成果である。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Nonbonded Atomic Contacts Drive Ultrafast Helix Motions in Myoglobin (2020)
  • Author(s): Shinya Tahara, Misao Mizuno, and Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 124 Issue: 26 Pages: 5407-5414
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c04772
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast Dynamics of Heliorhodopsins (2019)
  • Author(s): Tahara Shinya、Singh Manish、Kuramochi Hikaru、Shihoya Wataru、Inoue Keiichi、Nureki Osamu、B?j? Oded、Mizutani Yasuhisa、Kandori Hideki、Tahara Tahei
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 123 Issue: 11 Pages: 2507-2512
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b00887
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Origin of the Reactive and Nonreactive Excited States in the Primary Reaction of Rhodopsins: pH Dependence of Femtosecond Absorption of Light-Driven Sodium Ion Pump Rhodopsin KR2 (2018)
  • Author(s): Tahara Shinya、Takeuchi Satoshi、Abe-Yoshizumi Rei、Inoue Keiichi、Ohtani Hiroyuki、Kandori Hideki、Tahara Tahei
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 122 Issue: 18 Pages: 4784-4792
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b01934
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spectroscopic Study of Proton-Transfer Mechanism of Inward Proton-Pump Rhodopsin, Parvularcula oceani Xenorhodopsin (2018)
  • Author(s): Inoue Keiichi、Tahara Shinya、Kato Yoshitaka、Takeuchi Satoshi、Tahara Tahei、Kandori Hideki
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 122 Issue: 25 Pages: 6453-6461
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b01279
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Triggers of Primary Protein Dynamics in Photoreceptor Proteins (2020)
  • Author(s): 田原進也
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会
  • Invited
• [Presentation] Atomic Contacts Drive Ultrafast Helix Motions in Myoglobin (2020)
  • Author(s): Shinya Tahara, Misao Mizuno, Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: 11th Asian Conference on Ultrafast Phenomena
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Atomic Contacts Drive Structual Changes of Myoglobin (2019)
  • Author(s): Shinya Tahara, Misao Mizuno, Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: 19th Time Resolved Vibrational Spectroscopy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Universality of Ultrafast Protein Dynamics of Rhodopsins Revealed by Femtosecond Time-Resolved Ultraviolet Stimulated Raman Spectroscopy (2019)
  • Author(s): Shinya Tahara,Rika Kurihara,Keiichi Kojima, Hikaru Kuramochi, Satoshi Takeuchi, Yuki Sudo, Tahei Tahara
  • Organizer: 第99回日本化学会年会
• [Presentation] Ultrafast Protein Dynamics of Bacteriorhodopsin Revealed by Deep-UV Femtosecond Stimulated Raman Spectroscopy (2018)
  • Author(s): Shinya Tahara, Hikaru Kuramochi, Satoshi Takeuchi, Tahei Tahara
  • Organizer: XXVIth International Conference on Raman Spectroscopy
  • Int'l Joint Research