Development of a fast stimulation input method for artificial cells by light using microbial rhodopsins

• Project Area: Molecular Cybernetics -Development of Minimal Artificial Brain by the Power of Chemistry
• Project/Area Number: 23H04404
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (IV)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 井上 圭一 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90467001)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2024: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2023: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 微生物ロドプシン / オプトジェネティクス / 光刺激 / イオンチャネル / イオンポンプ

Outline of Research at the Start

生物の細胞ではNa+やK+の流出入による神経興奮や、Ca2+シグナリング、H+濃度勾配によるATP合成など、根源的なイベントが多様なイオンの動態によって制御されている。しかし同様のシステムは、いまだ人工細胞など非生物的な系では実現されていない。そこで本研究では、光依存的に様々なイオンを輸送する微生物ロドプシンを人工リポソーム中に導入することで、人工細胞内のイオン組成を光で制御する技術を開発する。これにより、光によって人工細胞内に活動電位やシグナリング制御、エネルギー生産などの高度な機構を組み込む技術的基盤がもたらされ、特に当該研究領域においてはケミカルAIによる演算の高速化をもたらす刺激入力を可能とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の目標である、人工細胞への自在なCa2+およびH+シグナルの自在入力法の開発のため、本年度は新奇なイオンチャネルおよびイオンポンプ型ロドプシンについて、物性評価と高機能性分子の探索を行った。その結果、既存のものとはイオン輸送特性や応答波長などが大きく異なる分子を多数発見した。特に植物などから容易に入手可能な、ルテインやゼアキサンチンなどの3-OH型のカロテノイドを光アンテナとして結合するH+ポンプ型ロドプシンである、Kin4B8が細菌から見出され（Chazan et al. Nature 2023）、さらに同じ様に3-OH型カロテノイドを結合することができるロドプシンを多数同定している。今後これらの分子を用いることで、従来のレチナールのみを発色団とするロドプシンと比べ、高感度なイオン動態の光制御が可能になると期待される。特に3-OH型カロテノイドを結合するロドプシンは420 nm周辺の紫色光に対して高い応答性を示し、これは既知のカロテノイド結合型の分子とは大きく異なるものである。これにより、これらの分子は多色光源を用いた蛍光タンパク質やチャネルロドプシンの同時イメージング・同時操作のための有用なツールとなる可能性を有すると考えられる。またイオンチャネル型のロドプシンについても検討を行い、膜局在やチャネル開閉速度などが従来のものと異なる分子を得ることができている。
さらに本年度はCa2+操作用ロドプシン開発のため、新たに蛍光顕微鏡を用いた、Fura-2色素によるCa2+イメージング系の構築を行った。これにより、今後より多くのロドプシンについてCa2+輸送能の評価が可能になると期待される。そしてすでに一部の巨大ウイルス由来のロドプシンについて評価を行い、小胞体などからのCa2+放出を光依存的に誘導することが可能であることを確認している。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] イスラエル工科大学/エルサレム・ヘブライ大学(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] シエナ大学(イタリア)
• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学バークレー校/スタンフォード大学/ボーリング・グリーン州立大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ストラスブール大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] オックスフォード大学(英国)
• [Journal Article] Cis-Trans Reisomerization Preceding Reprotonation of the Retinal Chromophore Is Common to the Schizorhodopsin Family: A Simple and Rational Mechanism for Inward Proton Pumping (2024)
  • Author(s): Taito Urui, Kouhei Hayashi, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 128 Issue: 3 Pages: 744-754
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c07510
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chromophore-Protein Interactions Affecting the Polyene Twist and π-π* Energy Gap of the Retinal Chromophore in Schizorhodopsins (2024)
  • Author(s): Taito Urui, Tomomi Shionoya, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 128 Issue: 10 Pages: 2389-2397
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c08465
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Light-Gated Cation Channel with High Reactivity to Weak Light (2023)
  • Author(s): Shoko Hososhima, Shinji Ueno, Satoshi Okado, Ken-ichi Inoue, Masae Konno, Yumeka Yamauchi, Keiichi Inoue, Hiroko Terasaki, Hideki Kandori, Satoshi P. Tsunoda
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 7675-7675
  • DOI: 10.1038/s41598-023-34687-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of the Unique Chromophore-Protein Interactions on the Primary Photoreaction of Schizorhodopsin (2023)
  • Author(s): Chun-Fu Chang, Masae Konno, Keiichi Inoue, Tahei Tahara
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 14 Issue: 31 Pages: 7083-7091
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c01133
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Light-Driven Anion Pump with Two Different Transport Modes (2023)
  • Author(s): Manish Singh, Shota Ito, Shoko Hososhima, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi P. Tsunoda, Keiichi Inoue, Hideki Kandori
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 127 Issue: 32 Pages: 7123-7134
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c02116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural Basis for Color Tuning and Ion Selectivity in Potassium-Selective Channelrhodopsins (2023)
  • Author(s): S. Tajima, Y. S. Kim, M. Fukuda, Y.J. Jo, P. Y. Wang, J. M. Paggi, E. F.X. Byrne, K. E. Kishi, S. Nakamura, C. Ramakrishnan, S. Takaramoto, T. Nagata, M. Konno, M. Sugiura, K. Katayama, T. E. Matsui, K. Yamashita, S. Kim, H. Ikeda, M. Inoue, H. Kandori, R. O. Dror, K. Inoue, K. Deisseroth, H. E. Kato
  • Journal Title: Cell Volume: 186 Issue: 20 Pages: 4325-4344.e26
  • DOI: 10.1016/j.cell.2023.08.009
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photochemistry of the Retinal Chromophore in Microbial Rhodopsins (2023)
  • Author(s): Keiichi Inoue
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 127 Issue: 43 Pages: 9215-9222
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c05467
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Iron-limitation Light Switch (2023)
  • Author(s): Oded Beja, Keiichi Inoue
  • Journal Title: Nature Microbiology Volume: 8 Issue: 11 Pages: 1942-1943
  • DOI: 10.1038/s41564-023-01491-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiple Roles of a Conserved Glutamate Residue for Unique Biophysical Properties in a New Group of Microbial Rhodopsins Homologous to TAT Rhodopsin (2023)
  • Author(s): Kentaro Mannen, Takashi Nagata, Andrey Rozenberg, Masae Konno, Maria del Carmen Marin, Reza Bagherzadeh, Oded Beja, Takayuki Uchihashi, Keiichi Inoue
  • Journal Title: Journal of Molecular Biology Volume: 436 Issue: 5 Pages: 168331-168331
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2023.168331
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Functional Characterization of Four Opsins and Two G Alpha Subtypes Co-Expressed in the Molluscan Rhabdomeric Photoreceptor (2023)
  • Author(s): Ryota Matsuo, Mitsumasa Koyanagi, Tomohiro Sugihara, Taishi Shirata, Takashi Nagata, Keiichi Inoue, Yuko Matsuo, Akihisa Terakita
  • Journal Title: BMC Biology Volume: 21 Issue: 1 Pages: 291-291
  • DOI: 10.1186/s12915-023-01789-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 光を司る分子の技：レチナールの光化学がもたらすロドプシンタンパク質の多様な機能性 (2024)
  • Author(s): 井上 圭一
  • Organizer: 2023年度 化学生命工学講演会「化学生命の最前線１」
  • Invited
• [Presentation] 液滴形成における神経タンパク質α-synucleinとsynapsinの相互作用機構 (2024)
  • Author(s): 宝本 俊輝、井上 圭一
  • Organizer: 第13回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] Electrophysiological study of the effect of weak organic acids on the transport activity of proton pumping rhodopsin of rhizobacteria (2024)
  • Author(s): Zikun Lyu、Shunki Takaramoto、Maria del Carmen Marin、Hiromu Yawo、Keiichi Inoue
  • Organizer: 第13回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] The Photochemistry of Retinal Chromophore and its Biological Role in New Rhodopsins (2024)
  • Author(s): Keiichi Inoue
  • Organizer: Gordon Research Conference: Photosensory Receptors & Signal Transduction
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] レチナール光異性化酵素ロドプシンの吸収波長特性と可逆的光反応 (2024)
  • Author(s): 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会
• [Presentation] The Rhodopsin Symphony from Nagoya (2023)
  • Author(s): 井上 圭一
  • Organizer: オプトバイオテクノロジー研究センター シンポジウム「光といのち」
  • Invited
• [Presentation] 高熱安定性光駆動型内向きH+ポンプロドプシン(MtSzR)の安定化メカニズムの研究 (2023)
  • Author(s): 川﨑佑真、今野雅恵、井上圭一
  • Organizer: 第49回生体分子科学討論会
• [Presentation] 微生物ロドプシンがもたらす光生物学の新地平 (2023)
  • Author(s): 井上 圭一
  • Organizer: 東京大学大学院理学研究科物理学専攻談話会
  • Invited
• [Presentation] Retinal Chromophore Twisting Regulates Channel Gating of Channelrhodopsin C1C2 (2023)
  • Author(s): Keisei Shibata、Kazumasa Oda、Tomohiro Nishizawa、Yuji Hazama、Ryohei Ono、Shunki Takaramoto、Reza Bagherzadeh、Hiromu Yawo、Osamu Nureki、Keiichi Inoue、Hidefumi Akiyama
  • Organizer: Time Resolved Vibrational Spectroscopy 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 微生物ロドプシンを用いた光による人工細胞への高速刺激入力法の開発 (2023)
  • Author(s): 井上 圭一
  • Organizer: 学術変革領域研究（A) 「分子サイバネティクス」領域・第１回領域ミーティング
• [Presentation] レチナール光異性化酵素ロドプシンRGRの吸収分光特性と可逆的光反応 (2023)
  • Author(s): 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • Organizer: 第23回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 動物の光受容をささえる光受容タンパク質・ロドプシンの多様性 (2023)
  • Author(s): 永田 崇
  • Organizer: 第34回生体機能関連化学部会若手の会 サマースクール
  • Invited
• [Presentation] The role of proton transfer in ion-transporting microbial rhodopsins (2023)
  • Author(s): Keiichi Inoue
  • Organizer: Biophysical Society (BPS) Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ゲノム探索がもたらす微生物ロドプシン研究の新視点 (2023)
  • Author(s): 井上 圭一
  • Organizer: 第23回日本光生物学協会年会
  • Invited
• [Presentation] 脊椎動物が持つレチナール光異性化酵素ロドプシンRGRの光吸収・反応特性 (2023)
  • Author(s): 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • Organizer: 第23回日本光生物学協会年会
• [Presentation] カチオンチャネルロドプシンChRmineのイオン輸送メカニズム (2023)
  • Author(s): 宝本 俊輝、川﨑 佑真、柴田 桂成、岸 孝一郎、加藤 英明、井上 圭一
  • Organizer: 第23回日本光生物学協会年会
• [Presentation] レチナール発色団のねじれとプロトン化によるチャネルロドプシンC1C2のチャネル開閉メカニズム (2023)
  • Author(s): 柴田 桂成、小田 和正、西澤 知宏、挾間 優治、小野 稜平、寶本 俊輝、Reza Bagherzadeh、八尾 寛、濡木 理、井上 圭一、秋山 英文
  • Organizer: 第23回日本光生物学協会年会
• [Presentation] Time-resolved Raman spectroscopic study of channelrhodopsins (2023)
  • Author(s): Keiichi Inoue
  • Organizer: 8th Asian Spectroscopy Conference 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Twisting and Protonation of Retinal Chromophore Regulate Channel Gating of Channelrhodopsin C1C2 (2023)
  • Author(s): Keisei Shibata、Kazumasa Oda、Tomohiro Nishizawa、Yuji Hazama、Ryohei Ono、Shunki Takaramoto、Reza Bagherzadeh、Hiromu Yawo、Osamu Nureki、Keiichi Inoue、Hidefumi Akiyama
  • Organizer: 8th Asian Spectroscpy Conference 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 脊椎動物が持つレチナール光異性化酵素ロドプシンRGRの吸収・光反応特性 (2023)
  • Author(s): 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • Organizer: 日本動物学会 第94回大会
• [Presentation] レチナール発色団のねじれとプロトン化によるチャネルロドプシンC1C2のチャネル開閉制御 (2023)
  • Author(s): 柴田 桂成、小田 和正、西澤 知宏、挾間 優治、小野 稜平、寶本 俊輝、Reza Bagherzadeh、八尾 寛、濡木 理、井上 圭一、秋山 英文
  • Organizer: 第17回分子科学討論会
• [Presentation] Photochemistry behind diverse functions of microbial rhodopsins (2023)
  • Author(s): Keiichi Inoue
  • Organizer: ICPAC Bali 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光駆動型外向きプロトンポンプ型ロドプシンの内向きプロトンポンプへの機能転換 (2023)
  • Author(s): Marin Perez Maria del Carmen、今野 雅恵、八尾 寛、井上 圭一
  • Organizer: 第17回分子科学討論会
• [Presentation] 光ではたらくタンパク質、微生物ロドプシンの機能物性研究 (2023)
  • Author(s): 井上 圭一
  • Organizer: 東京大学物性研究所協議会
  • Invited
• [Presentation] ベストロドプシン：ユニークな光反応を示す新奇光駆動陰イオンチャネル (2023)
  • Author(s): 今野 雅恵
  • Organizer: 第61回 日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 微生物ロドプシンを用いた光による人工細胞への高速刺激入力法の開発 (2023)
  • Author(s): 井上 圭一
  • Organizer: 学術変革領域研究（A) 「分子サイバネティクス」領域・第3回領域会議
• [Presentation] 高機能性タンパク質のデザインのための機械学習法の開発およびロドプシンの吸収波長制御への応用 (2023)
  • Author(s): 井上 圭一
  • Organizer: 第61回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 脊椎動物が持つレチナール光異性化酵素ロドプシン・RGRの吸収波長の多様性 (2023)
  • Author(s): 永田 崇、森本 直也、李 春ヤン光、井上 圭一
  • Organizer: 第61回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 新奇カチオンチャネルロドプシンHulaCCRの機能解析 (2023)
  • Author(s): 宝本 俊輝、 Shai Fainsod、永田 崇、Andrey Rozenberg、 Oded Beja、井上 圭一
  • Organizer: 第61回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 外向きH+ポンプ型ロドプシンから内向きH+ポンプへの機能転換による膜タンパク質のイオン輸送方向決定機構に関する研究 (2023)
  • Author(s): Maria Del Carmen Marin Perez、今野 雅恵、八尾 寛、井上 圭一
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第49回討論会
• [Presentation] Saccharibacteriaが持つ、宿主由来のall-transレチナールを利用する外向きプロトンポンプロドプシンの分子特性解析 (2023)
  • Author(s): 今野 雅恵、Alexander L. Jaffe、川﨑 佑真、片岡 千尋、Oded Beja、神取 秀樹，Jillian F. Banfield、井上 圭一
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第49回討論会
• [Remarks] 東京大学物性研究所・井上研究室
  • URL: https://inoue.issp.u-tokyo.ac.jp/index.html