ロドプシンを起動分子とした「化学・力学・光」エネルギー発動機構の理解と利用

• Project Area: Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion
• Project/Area Number: 21H00404
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 須藤 雄気 岡山大学, 医歯薬学域, 教授 (10452202)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: ロドプシン / 光 / 生物物理 / オプトジェネティクス / エネルギー変換 / 受容体

Outline of Research at the Start

光受容タンパク質「ロドプシン」は光エネルギーを吸収し、レチナールの異性化を介して化学エネルギーへと変換する。化学エネルギーは、タンパク質の構造変化として力学エネルギーに変換され、分子機能が発現する。また、ロドプシンが吸収した光は、蛍光（光エネルギー）にも変換される。このように、本領域における『発動分子』の定義（外部エネルギーを別エネルギーに変えるもの）から、ロドプシンはまさに「発動分子」そのものと言える。このような背景のもと、本研究では、ロドプシンによる『光→化学・力学・光』エネルギーへの変換機構の理解と光生命機能操作への利用を行い、ロドプシン型『発動分子』の基礎学理構築を行う。

Outline of Annual Research Achievements

ロドプシンは光エネルギーを吸収し、レチナールの異性化を介して化学エネルギーへと変換する。化学エネルギーは、タンパク質の構造変化として力学エネルギーに変換され、分子機能が発現する。また、ロドプシンは、蛍光を発する特性を有し、光エネルギーにも変換可能である。このように、本領域における『発動分子』の定義（外部エネルギーを別エネルギーへ変えるもの）から、ロドプシンはまさに“発動分子”そのものと言える。このような背景のもと、本研究では、ロドプシンによる『光-->化学・力学・光』エネルギーへの変換機構の理解と光遺伝学的利用を行うことで、ロドプシン型『発動分子』の基礎学理構築を行うことを目的とした。
本研究では各項目について以下の成果を得た。
（１）『光→化学変換』：ここでは、特に色（吸収波長）と反応速度に着目し、その改変体を作成した。色の変化は励起可能な波長域を拡げ、光操作に新たなツールを提供するものであり、反応が早い／遅い分子は、分子機能の高速制御／活性型中間体の滞留時間の延長による１光子あたりの分子機能活性の増大が期待される。
（２）『光→力学変換』：ここでは、タンパク質の力学的構造変化が生理応答に直結していることに着目し、ロドプシンによる多様な力学変換分子の創成と生命機能操作（細胞死、神経制御等）を実現した。
（３）『光→光変換』：一部のロドプシンが、高発光性を示すことを明らかにし、さらに網羅的変異導入による高発光化にも成功した。また、動物個体において閾値以下かつ高速（ms）の膜電位センサーとして利用可能であることを実証した。これらのロドプシンは、従来のCa2+インディケーター型膜電位センサーに代わるツールとなることが期待される。
以上の成果は、12報の原著論文、１０報の総説・解説論文、２件の特許出願、各種メディア報道、研究代表者および研究協力者の各種受賞につながった。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] The Pennsylvania State University/Montana State University(米国)
• [Journal Article] Identification of a Functionally Efficient and Thermally Stable Outward Sodium-Pumping Rhodopsin (<i>Be</i>NaR) from a Thermophilic Bacterium (2023)
  • Author(s): Kurihara Marie、Thiel Vera、Takahashi Hirona、Kojima Keiichi、Ward David M.、Bryant Donald A.、Sakai Makoto、Yoshizawa Susumu、Sudo Yuki
  • Journal Title: Chemical and Pharmaceutical Bulletin Volume: 71 Issue: 2 Pages: 154-164
  • DOI: 10.1248/cpb.c22-00774
  • ISSN: 0009-2363, 1347-5223
  • Year and Date: 2023-02-01
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detection of Membrane Potential-Dependent Rhodopsin Fluorescence Using Low-Intensity Light Emitting Diode for Long-Term Imaging (2023)
  • Author(s): Kawanishi Shiho、Kojima Keiichi、Shibukawa Atsushi、Sakamoto Masayuki、Sudo Yuki
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 8 Issue: 5 Pages: 4826-4834
  • DOI: 10.1021/acsomega.2c06980
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure and mechanism of oxalate transporter OxlT in an oxalate-degrading bacterium in the gut microbiota (2023)
  • Author(s): Jaunet-Lahary Titouan、Shimamura Tatsuro、Hayashi Masahiro、Nomura Norimichi、Hirasawa Kouta、Shimizu Tetsuya、Yamashita Masao、Tsutsumi Naotaka、Suehiro Yuta、Kojima Keiichi、Sudo Yuki、Tamura Takashi、Iwanari Hiroko、Hamakubo Takao、Iwata So、Okazaki Kei-ichi、Hirai Teruhisa、Yamashita Atsuko
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1730-1730
  • DOI: 10.1038/s41467-023-36883-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Convergent evolution of animal and microbial rhodopsins (2023)
  • Author(s): Kojima Keiichi、Sudo Yuki
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 13 Issue: 8 Pages: 5367-5381
  • DOI: 10.1039/d2ra07073a
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Editorial: Forewords to the special issue “Recent advances in retinal protein research” (2023)
  • Author(s): Sudo Yuki、Terakita Akihisa、Kandori Hideki
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 20 Issue: Supplemental Pages: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v20.s001
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Introduction of Session 1, “Photochemistry of retinal proteins” (2023)
  • Author(s): Sudo Yuki
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 20 Issue: Supplemental Pages: n/a
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v20.s021
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 膜蛋白質の可溶化（抽出）（３） (2023)
  • Author(s): 小島慧一、須藤雄気
  • Journal Title: 蛋白質科学会アーカイブ Volume: 16
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mutations conferring SO42- pumping ability on the cyanobacterial anion pump rhodopsin and the resultant unique features of the mutant (2022)
  • Author(s): Yuhei Doi, Jo Watanabe, Rytota Nii, Takashi Tsukamoto, Makoto Demura, Yuki Sudo, Takashi Kikukawa
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 16422-16422
  • DOI: 10.1038/s41598-022-20784-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 光をくすりに～光でがん細胞を自滅させる新しいがん治療法への期待 (2022)
  • Author(s): 須藤雄気、小島慧一
  • Journal Title: MDB技術予測レポート Volume: na
• [Journal Article] 0.0000000003%の奇跡 (2022)
  • Author(s): 須藤雄気
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 62 Issue: 1 Pages: 1-1
  • DOI: 10.2142/biophys.62.1
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Open Access
• [Journal Article] Activity of Regional Branch (2022)
  • Author(s): 須藤 雄気
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 62 Issue: 5 Pages: 312-313
  • DOI: 10.2142/biophys.62.312
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Open Access
• [Journal Article] Expression of microbial rhodopsins in Escherichia coli and their extraction and purification using styrene-maleic acid copolymers (2022)
  • Author(s): Kojima Keiichi、Sudo Yuki
  • Journal Title: STAR Protocols Volume: 3 Issue: 1 Pages: 101046-101046
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2021.101046
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of an Outward Proton Pumping Rhodopsin with a New Record in Thermostability by Means of Amino Acid Mutations (2022)
  • Author(s): Yasuda Satoshi、Akiyama Tomoki、Kojima Keiichi、Ueta Tetsuya、Hayashi Tomohiko、Ogasawara Satoshi、Nagatoishi Satoru、Tsumoto Kouhei、Kunishima Naoki、Sudo Yuki、Kinoshita Masahiro、Murata Takeshi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 126 Issue: 5 Pages: 1004-1015
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.1c08684
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phototriggered Apoptotic Cell Death (PTA) Using the Light-Driven Outward Proton Pump Rhodopsin Archaerhodopsin-3 (2022)
  • Author(s): Nakao Shin、Kojima Keiichi、Sudo Yuki
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 9 Pages: 3771-3775
  • DOI: 10.1021/jacs.1c12608
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 光がくすりになる！？―ロドプシンによる生命機能の光操作 (2022)
  • Author(s): 須藤雄気、小島慧一
  • Journal Title: 月刊「化学」 Volume: 77 Pages: 64-65
• [Journal Article] 光＋ロドプシン＝くすり (2022)
  • Author(s): 須藤雄気、小島慧一、川西志歩
  • Journal Title: フォトニクスニュース Volume: 7 Pages: 153-158
• [Journal Article] バイオマスを２倍にする新技術：ロドプシンを用いた緑藻クラミドモナスの生育制御 (2022)
  • Author(s): 小島慧一、長瀬友里恵、田村丞、須藤雄気
  • Journal Title: クリーンエネルギー Volume: 31 Pages: 49-57
• [Journal Article] Microbial Rhodopsins as Multi-functional Photoreactive Membrane Proteins for Optogenetics (2021)
  • Author(s): Nakao Shin、Kojima Keiichi、Sudo Yuki
  • Journal Title: Biological and Pharmaceutical Bulletin Volume: 44 Issue: 10 Pages: 1357-1363
  • DOI: 10.1248/bpb.b21-00544
  • NAID: 130008095840
  • ISSN: 0918-6158, 1347-5215
  • Year and Date: 2021-10-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An optogenetic assay method for electrogenic transporters using Escherichia coli co‐expressing light‐driven proton pump (2021)
  • Author(s): Hayashi Masahiro、Kojima Keiichi、Sudo Yuki、Yamashita Atsuko
  • Journal Title: Protein Science Volume: 30 Issue: 10 Pages: 2161-2169
  • DOI: 10.1002/pro.4154
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional expression of the eukaryotic proton pump rhodopsin OmR2 in Escherichia coli and its photochemical characterization (2021)
  • Author(s): Kikuchi Masuzu、Kojima Keiichi、Nakao Shin、Yoshizawa Susumu、Kawanishi Shiho、Shibukawa Atsushi、Kikukawa Takashi、Sudo Yuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 14765-14765
  • DOI: 10.1038/s41598-021-94181-w
  • NAID: 120007147387
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure of a retinal chromophore of dark-adapted middle rhodopsin as studied by solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy (2021)
  • Author(s): Kawamura Izuru、Seki Hayato、Tajima Seiya、Makino Yoshiteru、Shigeta Arisu、Okitsu Takashi、Wada Akimori、Naito Akira、Sudo Yuki
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: advpub Issue: 0 Pages: 177-185
  • DOI: 10.2142/biophysico.bppb-v18.019
  • NAID: 130008072373
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Proton transfer pathway in anion channelrhodopsin-1 (2021)
  • Author(s): Tsujimura Masaki、Kojima Keiichi、Kawanishi Shiho、Sudo Yuki、Ishikita Hiroshi
  • Journal Title: eLife Volume: 10
  • DOI: 10.7554/elife.72264
  • NAID: 120007183236
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Exploring the Retinal Binding Cavity of Archaerhodopsin-3 by Replacing the Retinal Chromophore With a Dimethyl Phenylated Derivative (2021)
  • Author(s): Tsuneishi Taichi、Takahashi Masataka、Tsujimura Masaki、Kojima Keiichi、Ishikita Hiroshi、Takeuchi Yasuo、Sudo Yuki
  • Journal Title: Frontiers in Molecular Biosciences Volume: 8 Pages: 794948-794948
  • DOI: 10.3389/fmolb.2021.794948
  • NAID: 120007183231
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Diversity and possibility of microbial rhodopsins (2022)
  • Author(s): Sudo Y.
  • Organizer: The 19th International Conference on Retinal Proteins
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ロドプシンの生物物理化学研究からの挑戦：『光をくすりへ』 (2022)
  • Author(s): 須藤雄気
  • Organizer: 超異分野学会 東京大会2022
  • Invited
• [Presentation] ロドプシンエンジニアリングによる生命機能の光制御・操作 (2022)
  • Author(s): 須藤雄気
  • Organizer: 第22回・日本蛋白質科学会
  • Invited
• [Presentation] Optical control of biological functions by microbial rhodopsins (2021)
  • Author(s): Sudo Y.
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光をくすりにする！？―ロドプシンによる生命機能の光操作 (2021)
  • Author(s): 須藤雄気
  • Organizer: 日本薬学会北海道支部講演会
  • Invited
• [Presentation] Optical control of biological activities with multi-functional photoreactive membrane protein rhodopsin (2021)
  • Author(s): 須藤雄気
  • Organizer: 第59回・日本生物物理学会シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 『光がくすりになる！？』 (2021)
  • Author(s): 須藤雄気
  • Organizer: 第42回・生体膜と薬物の相互作用シンポジウム
  • Invited
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.pharm.okayama-u.ac.jp/lab/bukka/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光合成生物の形質転換体およびその用途 (2022)
  • Inventor(s): 須藤雄気、小島慧一
  • Industrial Property Rights Holder: 須藤雄気、小島慧一
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光合成生物の形質転換体およびその用途 (2021)
  • Inventor(s): 須藤雄気、小島慧一
  • Industrial Property Rights Holder: 須藤雄気、小島慧一
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-089800
  • Filing Date: 2021
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光変調装置及び集光装置 (2021)
  • Inventor(s): 渋川敦史、須藤雄気、ムサクジャング
  • Industrial Property Rights Holder: 渋川敦史、須藤雄気、ムサクジャング
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-153788
  • Filing Date: 2021
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光により細胞死を制御する方法 (2021)
  • Inventor(s): 須藤雄気、小島慧一、中尾新
  • Industrial Property Rights Holder: 須藤雄気、小島慧一、中尾新
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021
  • Overseas