Visualizing protein motions using molecular photoswitching

• Project/Area Number: 20H02695
• 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: Kyoto University (2023); Osaka University (2020-2022)
• Principal Investigator: 水野 操 京都大学, 理学研究科, 准教授 (10464257)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2020: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: 分子光スイッチング / 時間分解共鳴ラマン分光法 / タンパク質ダイナミクス / 時間分解共鳴ラマン分光計測 / 時間分解紫外共鳴ラマン分光法

Outline of Research at the Start

タンパク質機能発現の分子機構を明らかにするため、これまでに光受容タンパク質を対象とした時間分解分光計測が行われてきた。本研究では、光受容タンパク質以外の普遍的なタンパク質反応に対して、小分子の光化学反応に伴う構造変化を機能発現スイッチとして利用した時間分解共鳴ラマン分光計測により、原子レベルの空間スケールかつピコ秒からサブ秒までの幅広い時間スケールで過渡的なタンパク質分子運動の観測方法を確立する。

Outline of Annual Research Achievements

タンパク質の機能は、外部刺激による構造変化により生み出される。タンパク質機能を生み出す過渡的な分子運動の観測には、反応のタイミングが同期した分子アンサンブルのスペクトルを計測し、時間的精度が高い良質なスペクトルを得る必要である。これに対して、光による反応タイミングの制御がきわめて有効である。実際に、光受容タンパク質では光が外部刺激として構造変化を誘発するため、反応中間体の構造研究が多く行われている。一方、多くのタンパク質では、機能発現スイッチに光が利用されることはなく、時間的精度が高いダイナミクス観測が困難であった。
本研究では、機能発現スイッチとして光反応により分子長や電荷分布が変化する小分子をタンパク質に導入し、反応タイミングの同期を行う（分子光スイッチング）。光によって誘起したタンパク質構造変化のダイナミクスを、芳香族アミノ酸残基および主鎖に由来するラマンバンドをプローブとして、時間分解紫外共鳴ラマン分光法により観測する。これにより、原子レベルの空間スケールかつピコ秒からサブ秒までの幅広い時間スケールで、機能発現に関わる構造ダイナミクスを観測する手法を確立する。
本年度は、新たに幅広い波長チューニングが可能なパルスレーザーを導入し、タンパク質ダイナミクス観測のさらなる高感度化を実現した。一方、試料調製方法について、昨年度から引き続き検討しているが、まだ実施には至っていない。外部機関の研究者との研究協力をあおぐ必要がある。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

光スイッチングを行うアゾベンゼンやスピロピランを導入したタンパク質試料の調製方法の確立が進んでおらず、タンパク質ダイナミクス観測を行うまで研究を推進できなかった。しかし、分光システムについては技術基盤が整ったために、今後の研究推進が可能である。

Strategy for Future Research Activity

試料調製について、タンパク質化学修飾を実施している外部機関の研究者に助言をいただき、早急に実施する。スペクトル計測を行うための分光システムはすでに稼働しているため、これを用いて光スイッチングタンパク質のダイナミクス観測を行い、それらの機能発現における分子機構を解明する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [Journal Article] Dependence of Vibrational Energy Transfer on Distance in a Four-helix Bundle Protein: Equidistant Increments with the Periodicity of α Helices (2022)
  • Author(s): Satoshi Yamashita,Misao Mizuno, Kazuhiro Takemura, Akio Kitao, and Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: - Issue: 17 Pages: 3283-3290
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c00956
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cis-Trans Reisomerization Precedes Reprotonation of the Retinal Chromophore in the Photocycle of Schizorhodopsin 4 (2022)
  • Author(s): Hayashi Kouhei、Mizuno Misao、Kandori Hideki、Mizutani Yasuhisa
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 61 Issue: 33
  • DOI: 10.1002/anie.202203149
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Contact-Mediated Retinal-Opsin Coupling Enables Proton Pumping in Gloeobacter Rhodopsin (2022)
  • Author(s): Shionoya Tomomi、Mizuno Misao、Kandori Hideki、Mizutani Yasuhisa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 126 Issue: 40 Pages: 7857-7869
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c04208
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Origin of a Double-Band Feature in the Ethylenic C=C Stretching Modes of the Retinal Chromophore in Heliorhodopsins (2022)
  • Author(s): Urui Taito、Das Ishita、Mizuno Misao、Sheves Mordechai、Mizutani Yasuhisa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 126 Issue: 43 Pages: 8680-8688
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.2c04883
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High Suitability of Tryptophan Residues as a Spectroscopic Thermometer for Local Temperature in Proteins under Nonequilibrium Conditions (2022)
  • Author(s): Satoshi Yamashita, Misao Mizuno, Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: J. Chem. Phys. Volume: 156 Issue: 7 Pages: 075101-075101
  • DOI: 10.1063/5.0079797
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Resonance Raman Determination of Chromophore Structures of Heliorhodopsin Photointermediates (2021)
  • Author(s): Urui Taito、Mizuno Misao、Otomo Akihiro、Kandori Hideki、Mizutani Yasuhisa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 125 Issue: 26 Pages: 7155-7162
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c04010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strongly hydrogen-bonded Schiff base and adjoining polyene twisting in the retinal chromophore of schizorhodopsins (2021)
  • Author(s): Tomomi Shionoya, Misao Mizuno, Manish Singh, Hideki Kandori, and Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 60 Issue: 41 Pages: 3050-3057
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.1c00529
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 時間分解共鳴ラマン分光法で観るタンパク質ダイナミクス (2023)
  • Author(s): 水野 操
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第43回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 無蛍光性色素タンパク質による分子ヒーターの開発 (2023)
  • Author(s): 徳 さくらこ、水野 操、今村 博臣、村越 秀治、水谷 泰久
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] ナトリウムイオン輸送タンパク質の多量体形成に依存した分子内水素結合変化 (2023)
  • Author(s): 中村 大輝、水野 操、大友 章裕、神取 秀樹、水谷 泰久
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] シゾロドプシンに共通する内向きプロトン輸送に重要な構造変化の同定 (2022)
  • Author(s): 潤井 泰斗、林 航平、水野 操、井上 圭一、神取 秀樹、水谷 泰久
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] Time-resolved resonance Raman observation of the photoexcited retinal chromophore in halorhodopsin (2022)
  • Author(s): Zixuan Li, Misao Mizuno, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] ヘムタンパク質を用いた分子ヒーターの開発 (2022)
  • Author(s): 渡瀬 太郎、水野 操、石川 春人、水谷 泰久
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] 祖先型グロビンフォールドタンパク質の構造ダイナミクスの解明 (2022)
  • Author(s): 入谷 悠、石川 春人、水野 操、水谷 泰久
  • Organizer: 第16回分子科学討論会
• [Presentation] Elucidation of intramolecular heat transfer mechanism for construction of highly effective photothermal protein heaters（高 効率光熱変換タンパク質ヒーター創出に向けた分子内熱伝導機構の解明） (2022)
  • Author(s): 水野 操
  • Organizer: 日本生物物理学会第60回年会
  • Invited
• [Presentation] Time-resolved anti-Stokes Raman Study on vibrational energy flow in proteins (2022)
  • Author(s): Misao Mizuno
  • Organizer: Taiwan-Japan International Symposium on Raman Spectroscopy / Development of Advanced Raman Spectroscopy in Japan and Taiwan
  • Invited
• [Presentation] Contact-Mediated Retinal-Opsin Coupling Enables Proton Pumping in Gloeobacter Rhodopsin (2022)
  • Author(s): Tomomi Shionoya, Misao Mizuno, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: 19th International Conference on Retinal Proteins
• [Presentation] Identification of Structural Changes Essential to Inward Proton Transport Common to Schizorhodopsins (2022)
  • Author(s): Taito Urui, Kouhei Hayashi, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: 19th International Conference on Retinal Proteins
• [Presentation] Structural analysis on the M intermediates of inward proton-pumping xenorhodopsins (2022)
  • Author(s): Kouhei Hayashi, Taito Urui, Misao Mizuno, Hideki Kandori, Yuki Sudo, Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: 19th International Conference on Retinal Proteins
• [Presentation] Time-resolved Resonance Raman Observation of Quaternary Structural Changes of Dimeric Hemoglobin (2022)
  • Author(s): Xiang Gao, Misao Mizuno, Haruto Ishikawa, Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] Time-resolved resonance Raman observation of the chromophore structure in primary intermediates of microbial rhodopsins (2022)
  • Author(s): Zixuan Li, Misao Mizuno, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] 共鳴ラマン分光法による祖先型グロビンフォールドタンパク質のヘム-軸配位子構造の解明 (2022)
  • Author(s): 入谷 悠、石川 春人、水野 操、水谷 泰久
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] 内向きプロトンポンプシゾロドプシンにみられる複数のM中間体の発色団構造解析 (2022)
  • Author(s): 林 航平、水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] Characterization of the chromophore structure in the photocycle of a new type of chloride ion-pumping rhodopsin (2021)
  • Author(s): Misao Mizuno, Naito Ishimoto, Sam-Yong Park, Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: Twentieth International Conference on Time-Resolved Vibrational Spectroscopy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interaction between retinal chromophore and opsin to enable proton transport in a light-driven proton pump GR (2021)
  • Author(s): Tomomi Shionoya, Misao Mizuno, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: Twentieth International Conference on Time-Resolved Vibrational Spectroscopy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Resonance Raman Determination of Chromophore Structures of Heliorhodopsin Photointermediates (2021)
  • Author(s): Taito Urui, Misao Mizuno, Akihiro Otomo, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: Twentieth International Conference on Time-Resolved Vibrational Spectroscopy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 新規光駆動塩化物イオンポンプの光反応中間体の発色団構造解析 (2021)
  • Author(s): 水野操、石本 直偉士、朴 三用、水谷 泰久
  • Organizer: 第15回分子科学討論会
• [Presentation] レチナールアナログ置換によるヘリオロドプシン発色団の構造特異性の解明 (2021)
  • Author(s): 潤井 泰斗、水野 操、水谷 泰久
  • Organizer: 第15回分子科学討論会
• [Presentation] Role of atomic contacts in vibrational energy transfer in protein (2021)
  • Author(s): Misao Mizuno
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光駆動プロトンポンプGRのプロトン輸送を誘起する発色団-オプシン相互作用 (2021)
  • Author(s): 塩谷 智巳、水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] ヘリオロドプシンの光サイクルにおけるレチナールシッフ塩基の水素結合強度の変遷 (2021)
  • Author(s): 潤井 泰斗、水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
• [Presentation] 紫外共鳴ラマン分光法によるプロトンポンプGRのプロトン輸送過程におけるタンパク質構造変化 (2020)
  • Author(s): 塩谷 智巳、水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
  • Organizer: 分子科学会オンライン討論会
• [Presentation] 新規光受容タンパク質ヘリオロドプシンが持つ光反応中間体の発色団構造 (2020)
  • Author(s): 潤井泰斗、水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
  • Organizer: 分子科学会オンライン討論会
• [Presentation] Chromophore structure in a long-lived intermediate of heliorhodopsins: switching of a hydrogen bonding partner of protonated Schiff base (2020)
  • Author(s): Taito Urui, Akihiro Otomo, Misao Mizuno, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • Organizer: Asian Spectroscopy Conference 2020
• [Remarks] 大阪大学大学院理学研究科化学専攻生物物理化学研究室
  • URL: http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/mizutani/index-jp.html