2023 Fiscal Year Final Research Report

Time-resolved XFEL crystallography and rational engineering of light-driven proteins

Planned Research

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Project Area	Non-equilibrium-state molecular movies and their applications
Project/Area Number	19H05777
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	Kyoto University
Principal Investigator	Iwata So 京都大学, 医学研究科, 教授 (60452330)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	野村紀通京都大学, 医学研究科, 准教授 (10314246) 近藤美欧大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (20619168) 志甫谷渉東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (30809421) 草木迫司東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (80815316) 山下恵太郎東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 客員共同研究員 (20721690)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2024-03-31
Keywords	光遺伝学 / 膜タンパク質 / X線自由電子レーザー / 時分割X線結晶構造解析 / クライオ電子顕微鏡単粒子解析 / ロドプシン / 構造ダイナミクス
Outline of Final Research Achievements	Light is characterized by its relatively easy control of spatial distribution and time, as well as its ability to change wavelength. Therefore, photo-activated proteins are suitable for time-resolved structure-function analysis by the pump-and-probe method using an X-ray free electron laser. In this study, we elucidated the dynamic structural basis of photoinduced isomerization of the photo-activated protein molecule by artificially controlling the structure of photochromic compounds (e.g., retinal) embedded in the photo-activated protein with high spatial and temporal resolution. Furthermore, we have rationally created artificial proteins that can switch on/off their functional mode and functional intensity upon photo-stimulation based on structural data.
Free Research Field	構造生物学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	光遺伝学は特定の神経細胞の活動を「光」によって制御する革新的技術であり、今や神経科学において必須の技術となっている。光遺伝学には光受容タンパク質であるロドプシン型膜タンパク質がツールとして利用されており、新規の高機能光遺伝学ツールを創出、改良することが待望されている。本研究において、多様な光駆動型膜タンパク質の構造をXFEL時分割結晶構造解析やクライオ電子顕微鏡単粒子解析により解明し、機能する仕組みに対する理解を深めた。新規光駆動型膜タンパク質の構造ベースでの設計、そして実際に神経科学分野へ強力なツールを提供したという点でも、今後、神経科学、生命科学の発展に大きく貢献することが期待される。