赤外分光法による新奇特殊ロドプシンの分子機構解析

• Project/Area Number: 19J22788
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 43040:Biophysics-related
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 富田 紗穂子 名古屋工業大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000); Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2020: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2019: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 微生物ロドプシン / レチナール / 赤外分光解析 / 微生物型ロドプシン

Outline of Research at the Start

本研究では光エネルギーを利用してイオンを輸送する微生物型ロドプシンの光反応機構を解明することを目的としている。特に、ナトリウムイオンを一方向輸送するKR2は、これまでのロドプシンとは異なり、イオン輸送経路の途中で正電荷を持つプロトン化シッフ塩基がナトリウムイオンと静電反発するため、どのように障壁を乗り越えるのか興味深い。微細な構造変化も捉えることが可能な光誘起赤外差分光法を用いることで光反応機構が明らかにできると考えている。微生物型ロドプシンの分子機構の解明を通じて、光で神経活動の制御を行うオプトジェネティクスなど応用技術への基盤データを与えると考えている。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、赤外分光測定を中心とした様々な分析手法を駆使し、これまでに研究されてきた典型的なロドプシンとは本質的に異なる未解明な分子機構を明らかにすることを目的としている。本年度の研究成果の概要を以下に記述する。
48C12はメタゲノム解析から発見されたロドプシンで、アミノ酸配列が既知のどのロドプシンとも相同性が低い。この48C12の同位体標識試料について、質量分析測定による、試料の同位体標識効率の評価を試みた。多くの条件検討の末、当研究室史上初めて膜タンパク質の質量分析測定から試料の同位体標識効率の算出に成功した。この結果から48C12の初期中間体形成時の光反応構造変化だけでなく、照射された光エネルギーの蓄積メカニズムの独自性について示唆を与えることができた。これらの研究成果をJ. Phys. Chem. B.に発表した。
KR2とは初めて発見されたナトリウムイオンポンプ型ロドプシンである。KR2のフィルム試料は、乾燥するとその吸収波長が長波長シフトする。紫外可視吸収スペクトルやラマン散乱スペクトルの解析より、水和量の変化によってレチナール発色団やその周辺の構造変化を明らかにしその構造変化モデルを構築した。これらの結果について、現在論文投稿準備の最終段階にある。
さらに、KR2の光反応サイクル中の構造変化についてより詳しく調べるために時間分解赤外分光測定も継続して行っている。異なる塩濃度における光反応サイクルの速度解析に加え、同位体や変異体を用いて観測されたバンドの帰属を行い、新たなナトリウムイオン輸送モデルの構築ができた。この研究成果について、論文発表準備段階にある。さらに、高波数領域の測定でも、いくつかのバンドの観測に成功し後期中間体におけるタンパク質内部の水素結合ネットワーク構造について示唆を与えることができた。この内容についても論文発表準備段階にある。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Inverse Hydrogen-Bonding Change Between the Protonated Retinal Schiff Base and Water Molecules upon Photoisomerization in Heliorhodopsin 48C12 (2021)
  • Author(s): Tomida Sahoko、Kitagawa Shinya、Kandori Hideki、Furutani Yuji
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 125 Issue: 30 Pages: 8331-8341
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c01907
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanism of Inward Proton Transport in an Antarctic Microbial Rhodopsin (2020)
  • Author(s): Harris Andrew、Lazaratos Michalis、Siemers Malte、Watt Ethan、Hoang Anh、Tomida Sahoko、Schubert Luiz、Saita Mattia、Heberle Joachim、Furutani Yuji、Kandori Hideki、Bondar Ana-Nicoleta、Brown Leonid S.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 124 Issue: 24 Pages: 4851-4872
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c02767
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Infrared spectroscopic analysis on structural changes around the protonated Schiff base upon retinal isomerization in light-driven sodium pump KR2. (2020)
  • Author(s): S. Tomida, S. Ito, T. Mato, Y. Furutani, K. Inoue, H. Kandori
  • Journal Title: Biochim Biophys Acta Bioenerg. Volume: - Issue: 7 Pages: 148190-148190
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148190
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Schizorhodopsins: A novel family of rhodopsins from Asgard archaea that function as light-driven inward H+ pumps (2020)
  • Author(s): Keiichi Inoue, Satoshi P. Tsunoda, Manish Singh, Sahoko Tomida, Shoko Hososhima, Masae Konno, Ryoko Nakamura, Hiroki Watanabe, Paul-Adrian Bulzu, Horia L. Banciu, Adrian Andrei, Takayuki Uchihashi, Rohit Ghai, Oded Beja, Hideki Kandori
  • Journal Title: Science Advances Volume: 6 Issue: 15
  • DOI: 10.1126/sciadv.aaz2441
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Red-shiftingmutation of light-driven sodium-pump rhodopsin (2019)
  • Author(s): K. Inoue, M. Del Carmen Marin, S. Tomida, R. Nakamura, Y. Nakajima, M. Olivucci, H. Kandori*
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1993-1993
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10000-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal structure of heliorhodopsin (2019)
  • Author(s): W. Shihoya, K. Inoue, M. Singh, M. Konno, S. Hososhima, K. Yamashita, K. Ikeda, A. Higuchi, T. Izume, Okazaki S, Hashimoto M, Mizutori R, Tomida S, Yamauchi Y, Abe-Yoshizumi R, K. Katayama, SP. Tsunoda, M. Shibata, Y. Furutani, A. Pushkarev, O. Béjà, T. Uchihashi, H. Kandori, O. Nureki
  • Journal Title: Nature Volume: 574 Issue: 7776 Pages: 132-136
  • DOI: 10.1038/s41586-019-1604-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Sodium-ion transportation mechanism of a light-driven sodium pump rhodopsin investigated by step-scan time-resolved FTIR spectroscopy (2021)
  • Author(s): Sahoko Tomida, Akimori Wada, Hideki Kandori, Yuji Furutani
  • Organizer: The 59th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Time-resolved spectroscopic analysis on structural changes during the transportation process of sodium pump rhodopsin KR2 (2021)
  • Author(s): Sahoko Tomida, Akimori Wada, Hideki Kandori, Yuji Furutani
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 共鳴ラマン分光法を用いたナトリウムイオンポンプロドプシンKR2の脱水和に伴う長波長シフト機構解析 (2020)
  • Author(s): 富田紗穂子，和田昭盛，神取秀樹，古谷祐詞
  • Organizer: 分子科学会 オンライン討論会 2020
• [Presentation] Time-resolved FTIR spectroscopy for studying molecular mechanisms of sodium and lithium ion transportation of Krokinobacter rhodopsin 2 (2019)
  • Author(s): Sahoko Tomida, Hideki Kandori, Yuji Furutani
  • Organizer: The 57th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Int'l Joint Research