Time-resolved serial femtosecond crystallography at an XFEL to reveal conformational changes in Cl- pump rhodopsin, NM-R3

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17K07324
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Structural biochemistry
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Hosaka Toshiaki 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 研究員 (40462725)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 時分割構造解析 / X線自由電子レーザー / 膜タンパク質 / クロライドイオンポンプロドプシン

Outline of Final Research Achievements

The marine bacterium derived Nonlabens marinus rhodopsin-3 (NM-R3) is a light-driven chloride ion-pump. Although we previously determined the crystal structure of NM-R3, its detailed ion transporting mechanism remains unknown. In this study, we used time resolved serial femtosecond crystallography with an X-ray free electron laser to observe the conformational changes during ion pumping process in NM-R3. After photoisomerization of retinal chromophore, causes simultaneous migration of anion from base position. In addition, the side chain of Asn98 that associates with anion in the ground state moves to the empty space created by the anion transfer, causing helix C to distort. Consequently, an ion transport pathway is created in the cytoplasmic interhelical space. In addition, we speculated that the location of the anion moved from the ground state to the cytoplasmic side of the NM-R3. A series of conformational changes explains how NM-R3 transports the anion across the protein.

Free Research Field

タンパク質の構造解析

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

SACLAでの時分割実験の研究成果は、中間体のような「静的な構造」ではなく、そのタンパク質が作動中の「動的な構造」変化を実際に目に見える形でとらえることができることを示している。今回のNM-R3での研究の特徴は、タンパク質の動作を見るだけではなく基質の動きを同時に見えることを示せたことである。今後は、コンピューターシミュレーションでの研究などを用いて、より詳細なイオン輸送機構を調べるなど光駆動ポンプの統合的な理解につながることが期待できる研究になったと考えている。