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Molecular design of photoreceptor proteins for the use of multichannel optgenetics using all-atom quantum chemical calculations

Research Project

Project/Area Number 25540132
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

Allocation TypeMulti-year Fund
Research Field Life / Health / Medical informatics
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

Sakurai Minoru  東京工業大学, バイオ研究基盤支援総合センター, 教授 (50162342)

Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha) Kandori Hideki  名古屋工業大学, 工学研究科, 教授 (70202033)
Project Period (FY) 2013-04-01 – 2016-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2015)
Budget Amount *help
¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2014: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2013: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Keywordsチャネルロドプシン / プロテオロドプシン / 量子化学計算 / 吸収波長制御 / LOVドメイン / BLUFドメイン / 光応答 / ダイナミクス / オプトジェネティクス / MDシミュレーション / 光受容体 / ロドプシン / オプシンシフト
Outline of Final Research Achievements

We analyzed the spectral tuning mechanism in channelrhodopsin and proteorhodopisin using all-atom quantum chemical calculations. On the basis of these results, we successfully identified amino acid residues that exert significant influences on the absorption maxima of these proteins, and furthermore designed mutants whose absorption maxima are largely shifted with respect to those of the wild type proteins. In addition, we intensively performed MD simulations to elucidate the photoresponse mechanism in LOV and BLUF domains, which are recently used as photoreceptors in many optgenetics experiments, from a viewpoint of molecular dynamics.

Report

(4 results)
  • 2015 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2014 Research-status Report
  • 2013 Research-status Report
  • Research Products

    (20 results)

All 2016 2015 2014 2013

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (17 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] An adaptive quantum mechanics/molecular mechanics method for the infrared spectrum of water: incorporation of the quantum effect between solute and solvent2016

    • Author(s)
      Hiroshi C. Watanabe, Misa Banno, Minoru Sakurai
    • Journal Title

      Phys. Chem. Chem. Phys.

      Volume: 18 Issue: 10 Pages: 7318-7333

    • DOI

      10.1039/c5cp07136d

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Octahedral point-charge model and its application to fragmentmolecular orbital calculations of chemical shifts2014

    • Author(s)
      Qi Gao, Satoshi Yokojima, Dmitri G. Fedorov, Kazuo Kitaura, Minoru Sakurai, Shinichiro Nakamura
    • Journal Title

      Chem. Phy. Lett.

      Volume: 593 Pages: 165-173

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2014.01.001

    • Related Report
      2013 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] MDシミュレーションによるBLUFタンパク質TePixDの光応答メカニズムの解析2016

    • Author(s)
      矢板智大、古田忠臣、櫻井実
    • Organizer
      第16回蛋白質科学会
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      2016-06-07
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      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] MDシミュレーションによる青色光受容タンパク質AuLOVとAsLOV2の光応答機構の解明2016

    • Author(s)
      金森悠一郎、古田忠臣、櫻井実
    • Organizer
      第16回蛋白質科学会
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      2016-06-07
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  • [Presentation] Ab initio MD シミュレーションによるPYP の活性部位水素結合ネットワークの解析2015

    • Author(s)
      Y. Kaneta, H. Watanabe, T. Furuta, M. Sakurai
    • Organizer
      第53回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      金沢
    • Year and Date
      2015-09-13
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  • [Presentation] 量子化学計算を用いたプロテオロドプシンL105 変異体の波長シフトの解析2015

    • Author(s)
      K. Yanagi, H. C. Watanabe, T. Furuta, M. Sakurai
    • Organizer
      第53回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      金沢
    • Year and Date
      2015-09-13
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      林 俊洋, 渡邉 宙志, 古田 忠臣, 櫻井 実
    • Organizer
      第15回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      徳島
    • Year and Date
      2015-06-24
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  • [Presentation] 量子化学計算を用いたプロテオロドプシンL105 変異体の波長シフトの解析2015

    • Author(s)
      柳 開智, 渡邉 宙志, 古田 忠臣, 櫻井 実
    • Organizer
      第15回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      徳島
    • Year and Date
      2015-06-24
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      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Study of the photoactivation mechanisms of AsLOV2 and LOV-HTH using accelerated molecular dynamics simulations2014

    • Author(s)
      Testuo Kokubu, Tomohiko Yaita, Tadaomi Furuta, Minoru Sakurai
    • Organizer
      16th International Conference on Retinal Proteins
    • Place of Presentation
      Nagahama, Japan
    • Year and Date
      2014-10-05 – 2014-10-10
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      2014 Research-status Report
  • [Presentation] Study of the mechanism of the light-driven ion transport in halorhodopsin based on the free energy calculations2014

    • Author(s)
      Hiroyuki Tamura, Shuntaro Chiba, Tadaomi Furuta, Shun Sakuraba, Nobuyuki Matsubayashi, Minoru Sakurai
    • Organizer
      16th International Conference on Retinal Proteins
    • Place of Presentation
      Nagahama, Japan
    • Year and Date
      2014-10-05 – 2014-10-10
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      2014 Research-status Report
  • [Presentation] Analysis of the photoresponse mechanism of the LOV-HTH system using accelerated molecular dynamics simulation2014

    • Author(s)
      國分 哲雄、古田 忠臣、櫻井 実
    • Organizer
      第52回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター
    • Year and Date
      2014-09-25 – 2014-09-27
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      2014 Research-status Report
  • [Presentation] チャネルロドプシンの機能理解への理論的アプローチ2014

    • Author(s)
      渡辺 宙志, Elstner Marcus, 櫻井 実
    • Organizer
      第52回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター
    • Year and Date
      2014-09-25 – 2014-09-27
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      2014 Research-status Report
  • [Presentation] Accelerated MDシミュレーションを用いたAsLOV2ドメイン光活性機構の解明2014

    • Author(s)
      矢板 智大、古田 忠臣、櫻井 実
    • Organizer
      第52回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター
    • Year and Date
      2014-09-25 – 2014-09-27
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      2014 Research-status Report
  • [Presentation] チャネルロドプシンの吸収波長に関する量子化学的研究2014

    • Author(s)
      吉野 菜海, 林 智彦, 松浦 東, 古田 忠臣, 櫻井 実
    • Organizer
      第52回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      札幌コンベンションセンター
    • Year and Date
      2014-09-25 – 2014-09-27
    • Related Report
      2014 Research-status Report
  • [Presentation] accelerated MDシミュレーションで探る光受容タンパク質LOV-HTHの光応答機構2014

    • Author(s)
      國分 哲雄、古田 忠臣、櫻井 実
    • Organizer
      第14回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      ワークピア横浜 / 横浜産貿ホール マリネリア
    • Year and Date
      2014-06-25 – 2014-06-27
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      2014 Research-status Report
  • [Presentation] MDシミュレーションを用いたAsLOV2ドメイン光活性機構の解明2014

    • Author(s)
      矢板 智大、古田 忠臣、櫻井 実
    • Organizer
      第14回日本蛋白質科学会年会
    • Place of Presentation
      ワークピア横浜 / 横浜産貿ホール マリネリア
    • Year and Date
      2014-06-25 – 2014-06-27
    • Related Report
      2014 Research-status Report
  • [Presentation] MDシミュレーションによる光受容タンパク質LOV-HTHの光応答機構の解析2013

    • Author(s)
      國分哲雄、古田忠臣、櫻井実
    • Organizer
      第13回日本蛋白質科学会
    • Place of Presentation
      鳥取 とりぎん文化会館
    • Related Report
      2013 Research-status Report
  • [Presentation] 自由エネルギー計算によるハロロドプシンの光駆動イオン輸送メカニズムの解析2013

    • Author(s)
      田村 浩之, 千葉 峻太郎, 古田 忠臣, 櫻庭 俊, 松林 伸幸, 櫻井 実
    • Organizer
      第51回日本生物物理学会
    • Place of Presentation
      京都国際会館
    • Related Report
      2013 Research-status Report
  • [Presentation] μsスケールの分子動力学シミュレーションによる光受容タンパク質LOV-HTHの光応答機構の研究2013

    • Author(s)
      國分 哲雄, 古田 忠臣, 櫻井 実
    • Organizer
      第51回日本生物物理学会
    • Place of Presentation
      京都国際会館
    • Related Report
      2013 Research-status Report
  • [Book] 光と生命の辞典 第1章10節 生物の光吸収物質2016

    • Author(s)
      櫻井実
    • Total Pages
      422
    • Publisher
      朝倉書店
    • Related Report
      2015 Annual Research Report

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Published: 2014-07-25   Modified: 2019-07-29  

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