Development of light-driven neural devices

• Project/Area Number: 21K19229
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
• Research Institution: Hiroshima University (2023); Kagawa University (2021-2022)
• Principal Investigator: Fujiwara Yuichiro 広島大学, 医系科学研究科(医), 教授 (20532980)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 川鍋 陽 香川大学, 医学部, 講師 (10707128)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: イオンチャネル / 光駆動

Outline of Research at the Start

神経機能の基盤はイオンチャネルによる電気信号の発生にある。光を照射することで構造の変化する物質を、イオンチャネルに導入して、光を照射することによりイオンチャネルのゲートを開閉して電気信号を人為的に発生させることを目論む。本研究は新しいタイプの光駆動性イオンチャネルを創製することを目的とする。

Outline of Final Research Achievements

We have attempted to control ion channel activity by adding photoisomerizable azobenzene to ion channels, etc. We have studied BmGr channels and Hv channels, and succeeded in creating a light-driven BmGr channel. BmGr channels and Hv channels, and succeeded in creating light-driven BmGr channels. Using the characteristics of azobenzene reagents, in which the distance between residues is defined by photoisomerization, we investigated the opening and closing mechanism of ion channels, measured the distances of many introduced residues, and constructed a channel gating model.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

近年、オプトジェネティクスと称して藻類由来チャネルロドプシンなどの光駆動性チャネルは神経回路機能の解析ツールとして研究が進んでいる。一方これらツールには哺乳類のチャネルの性質を維持していないという問題点もあり、より有用な光駆動チャネルの開発が期待されている。そのためには動的な動作機構・構造変化を詳細に理解する必要がある。本研究は、チャネルの開閉機構を理解し、チャネルの性質を保持した、光駆動分子を創製するという上述の問題点を一度に克服できる学術的意義がある。

Research Products

• [Journal Article] Rhodopsin-bestrophin fusion proteins from unicellular algae form gigantic pentameric ion channels (2022)
  • Author(s): Rozenberg A,Kaczmarczyk I,Matzov D,Vierock J,Nagata T,Sugiura M,Katayama K,Kawasaki Y,Konno M,Nagasaka Y,Aoyama M,Das I,Pahima E,Church J,Adam S,Borin VA,Chazan A,Augustin S,Wietek J,Dine J,Peleg Y,Kawanabe A,Fujiwara Y,Yizhar O,Sheves M,Schapiro I,Furutani Y,Kandori H,Inoue K,Hegemann P,Beja O,Shalev-Benami M.
  • Journal Title: Nature Structural & Molecular Biology Volume: 29 Issue: 6 Pages: 592-603
  • DOI: 10.1038/s41594-022-00783-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 受容体チャネルの光駆動化と構造変化の計測 (2024)
  • Author(s): 藤原 祐一郎、平野 磨生子、神鳥 和代
  • Organizer: 第101回日本生理学会大会
  • Invited
• [Presentation] アラキドン酸は電位依存性 H+ チャネルの電圧センサーの活性化を制御する (2024)
  • Author(s): 髙田 麻紀、竹下 浩平、川鍋 陽、藤原 祐一郎
  • Organizer: 第101回日本生理学会大会
• [Presentation] 電位依存性カリウムチャネルに対する硫化水素修飾の検証 (2024)
  • Author(s): 川鍋 陽、藤原 祐一郎
  • Organizer: 第101回日本生理学会大会
• [Presentation] 多様な糖の中から一つを選ぶグルコーストランスポーターの 基質認識機構の理解 (2023)
  • Author(s): 藤原 祐一郎
  • Organizer: 第13回化学フェスタ
  • Invited
• [Presentation] Creation of Photoswitchable Ion Channels and Measurement of Their Dynamic Structural Changes (2023)
  • Author(s): 藤原 祐一郎1,2、平野 磨生子1、神鳥 和代1,2
  • Organizer: 第100回日本生理学会大会
• [Presentation] 電位依存性プロトンチャネルHv1はATPと直接結合して活性調節を受ける (2023)
  • Author(s): 川鍋 陽1、高田 麻紀1、竹下 浩平2、藤原 祐一郎1
  • Organizer: 第100回日本生理学会大会
• [Presentation] 膜の張力と脂質による電位依存性H+チャネル活性制御機構 (2023)
  • Author(s): 高田 麻紀1、竹下 浩平2、川鍋 陽1、藤原 祐一郎1
  • Organizer: 第100回日本生理学会大会
• [Presentation] Functional regulation and intermolecular interaction of phosphoinositides on potassium channel KcsA (2023)
  • Author(s): 紀谷 拓音1、竹下 浩平2、川鍋 陽1、藤原 祐一郎1
  • Organizer: 第100回日本生理学会大会
• [Presentation] Sodium-glucose cotransporters (SGLT) in Ciona intestinalis transports various kinds of sugar (2023)
  • Author(s): 神鳥 和代1,2、藤原 祐一郎1,2
  • Organizer: 第100回日本生理学会大会
• [Presentation] The voltage-gated proton channel is regulated by ATP (2022)
  • Author(s): 川鍋陽、高田麻紀、藤原祐一郎
  • Organizer: 第99回日本生理学会大会
• [Presentation] Functional Characterization and Molecular Basis of KcsA Modulation by Phosphoinositides (2021)
  • Author(s): 紀谷拓音、川鍋陽、藤原祐一郎
  • Organizer: 第126回日本解剖学会総会・全国学術集会 第98回日本生理学会大会 合同大会
• [Presentation] Mechanism of selective transport of sugar in sodium-glucose co-transporter SGLT (2021)
  • Author(s): 神鳥和代、城田松之、藤原祐一郎
  • Organizer: 第73回日本生理学会中国四国地方会
• [Presentation] Structural Basis for Temperature-Sensitive Gating of Voltage-Gated H+ Channels (2021)
  • Author(s): 藤原祐一郎
  • Organizer: 第59回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Book] 生理学用語ハンドブック (2024)
  • Author(s): 日本生理学会用語委員会、分担執筆（藤原祐一郎）
  • Total Pages: 448
  • Publisher: 丸善出版
  • ISBN: 9784621309087