Cryogenic single-molecule detection of hydrogen bond network in protein

• Project/Area Number: 19H02672
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 32010:Fundamental physical chemistry-related
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: Matsushita Michio 東京工業大学, 理学院, 准教授 (80260032)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊関 峰生 東邦大学, 薬学部, 教授 (60414009)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2022: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2020: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2019: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: １分子分光 / タンパク質 / 水素結合 / １分子観察 / フラビン / 光センサー / 光応答 / 酵素 / PAC / アデニル酸シクラーゼ / 光活性 / 低温顕微法 / 光センサータンパク質

Outline of Research at the Start

応募課題の目的は、タンパク質の活性化における水素結合の役割を研究することにある。 そのモデル系として、光活性化酵素(OaPAC, Oscillatoria acuminata Photoactivated adenylyl cyclase)のクライオ1分子観察をおこなう。OaPACは酵素反応に関 わる水素結合を光でコントロールできる分子であり、水素結合とタンパク質活性との関わりを研究するのに最適な研究対象である。

Outline of Final Research Achievements

The aim of the present project is "Research of hydrogen bond network in protein with cryogenic single-molecule fluorescence spectroscopy". As the achievement of our project, we experimentally obtained the hydrogen bond network nearby the pigment in protein-pigment complex with the cryogenic single-molecule fluorescence spectroscopy. Despite the fact that this protein complex has thousands of CO bonds, the CO bond at hydrogen bond of the pigment binding site were highlighted.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で得られた実験法は、１個のタンパク質中の活性な場所である色素結合サイトの水素結合状態を見ることができる方法であり、物理学、物理化学的に大きな意義のある方法である。これを、生体検査などにも応用すれば、社会的に重要な手法になると考えている。

Research Products

• [Journal Article] Energy transfer fluctuation observed by single-molecule spectroscopy of red-shifted bacteriochlorophyll in the homodimeric photosynthetic reaction center (2022)
  • Author(s): Kondo Toru、Mutoh Risa、Arai Shun、Kurisu Genji、Oh-oka Hirozo、Fujiyoshi Satoru、Matsushita Michio
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 156 Issue: 10 Pages: 105102-105102
  • DOI: 10.1063/5.0077290
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Variable immersion microscopy with a high numerical aperture (2021)
  • Author(s): Keita Ishida, Kanta Naruse, Yuta Mizouchi, Yoshihiro Ogawa, Michio Matsushita, Takeshi Shimi, Hiroshi Kimura, Satoru Fujiyoshi
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 46 Issue: 4 Pages: 856-859
  • DOI: 10.1364/ol.416006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cryogenic Single-Molecule Spectroscopy of the Primary Electron Acceptor in Photosynthetic Reaction Center (2020)
  • Author(s): T. Kondo, R. Mutoh, H. Tabe, G. Kurisu, H. Oh-oka, S. Fujiyoshi, and M. Matsushita
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: － Issue: 10 Pages: 3980-3986
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c00891
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cryogenic Far-Field Fluorescence Nanoscopy: Evaluation with DNA Origami (2020)
  • Author(s): Furubayashi Taku、Ishida Keita、Nakata Eiji、Morii Takashi、Naruse Kanta、Matsushita Michio、Fujiyoshi Satoru
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 124 Issue: 35 Pages: 7525-7536
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c04721
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Aberration-corrected cryogenic objective mirror with a 0.93 numerical aperture (2019)
  • Author(s): Fujiwara Masanori、Ishii Takaki、Ishida Keita、Toratani Yasuharu、Furubayashi Taku、Matsushita Michio、Fujiyoshi Satoru
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 115 Issue: 3 Pages: 033701-033701
  • DOI: 10.1063/1.5110546
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanometer Accuracy in Cryogenic Far-Field Localization Microscopy of Individual Molecules (2019)
  • Author(s): Furubayashi Taku、Ishida Keita、Kashida Hiromu、Nakata Eiji、Morii Takashi、Matsushita Michio、Fujiyoshi Satoru
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 10 Issue: 19 Pages: 5841-5846
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02184
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 近赤外蛍光プローブを利用した三次元ナノスコピー (2021)
  • Author(s): 成瀬寛太, 武藤慶, 宮崎龍也, 山口潤一郎, 松田剛, 溝内雄太, 志見剛, 木村宏, 松下道雄, 藤芳暁
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 波動光学による光シート顕微鏡の照射系に関する研究 (2021)
  • Author(s): 湯本達也, 藤芳暁, 松下道雄
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 温度4 Kにおける光干渉計による試料ステージの安定化についての研究 (2021)
  • Author(s): 神谷直輝, 滝島研人, 藤芳暁, 松下道雄
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 可変浸レンズ：実験とシミュレーション (2020)
  • Author(s): 成瀬寛太、石田啓太、溝内雄太、松下道雄、志見剛、木村宏、藤芳暁
  • Organizer: 分子科学会 オンライン討論
• [Presentation] 反応性FRETペアによる細胞内標識 (2020)
  • Author(s): 溝内雄太、成瀬寛太、松下道雄、工藤史貴、佐藤優子、木村宏、藤芳暁
  • Organizer: 分子科学会 オンライン討論
• [Presentation] 液中の深いところの顕微観察を可能にする可変浸レンズ (2020)
  • Author(s): 成瀬寛太、石田啓太、溝内雄太、松下道雄、志見剛、木村宏、藤芳暁
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
• [Presentation] 開口数0.93の収差補正クライオ対物鏡の開発 (2019)
  • Author(s): 石井啓暉, 虎谷泰靖, 藤原正規, 石田啓太, 藤芳暁, 松下道雄
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] 高開口数蛍光顕微鏡の界面屈折に由来する収差の研究：メニスカスレンズによる収差補正 (2019)
  • Author(s): 石田啓太, 藤芳暁, 松下道雄
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] 温度安定化循環水によるクライオ蛍光顕微鏡のナノレベル安定化 (2019)
  • Author(s): 滝島研人, 古林琢, 松下道雄, 藤芳暁
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] クライオ蛍光顕微鏡による分子確度イメージングの実現 (2019)
  • Author(s): 古林 琢、中田栄司、森井孝、藤芳暁、松下道雄
  • Organizer: 分子科学討論会
• [Presentation] 三次元カメラ共焦点顕微鏡によるクライオ1分子イメージング (2019)
  • Author(s): 松田剛、古林 琢、松下道雄、藤芳暁
  • Organizer: 分子科学討論会
• [Presentation] DNAオリガミを用いたクライオ超解像蛍光イメージング用色素の探索 (2019)
  • Author(s): 溝内雄太、石井啓暉、中田栄司、森井孝、藤芳暁、松下道雄
  • Organizer: 分子科学討論会