Development of channelrhodopsin for infrared control of cells

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K21848
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Imamoto Yasushi 京都大学, 理学研究科, 准教授 (80263200)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2022-03-31
• Keywords: 光遺伝学 / オプトジェネティクス / レチナールアナログ / 脱分極 / 膜電位 / 光反応サイクル / 共役二重結合系 / ロドプシン

Outline of Final Research Achievements

To manipulate the cells by non-invasive infrared light, the channelrhodopsin driven by near infrared light was produced. The long-conjugated retinal analogs were incorporated into the red-shifted channel rhodopsin variants, ChrimsonR and ReaChR, resulted in the generation of channelrhodopsin analogs showing red-shifted absorption spectra relative to ChrimsonR and ReaChR. The flash photolysis experiments for ReaChR analogs demonstrated that the intermediate similar to ion-conducting state of ReaChR was produced in the photocycle of some of ReaChR analogs. It was confirmed that they induced the photocurrent of the cell by electrophysiological measurement.

Free Research Field

生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

神経細胞の興奮や抑制を光で制御できるオプトジェネティクスは、生物学全般で欠くことのできない技術となっている。一般的なチャネルロドプシンは青色光に最も感受性が高いが、青色光は組織での拡散・吸収や細胞の損傷などを引き起こす可能性があるため、非侵襲的な赤外光で駆動できるチャネルロドプシンの開発が望まれている。本研究では人工的に共役二重結合系を延長したレチナールアナログを発色団として用いることで、長波長シフトしたチャネルロドプシンが生成し、細胞に光電流を発生させることができることを示した。本技術をさらに改良することで、細胞を赤外線リモコンで制御することも可能であると考えられる。