Development of sodium-selective optogenetic tools for super-precise optical neural manipulation

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K21383
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Inoue Keiichi 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90467001)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: ロドプシン / レチナール / オプトジェネティクス / ナトリウムポンプ / ヘリオロドプシン

Outline of Final Research Achievements

In this study, we aimed to create an inwardly oriented sodium pumping rhodopsin by reversing the orientation of natural outward sodium pumping rhodopsin in the membrane, thereby selectively transporting only sodium ions into cells for the development of optogenetic tools. This was accomplished by altering the distribution of charged residues on the extracellular and intracellular surfaces of the outward sodium pumping rhodopsin. To achieve this, we used the BEdep_AAProf method to design a molecule with a reversed charge distribution, which presented numerous mutation sites for causing orientation reversal. Experimental results using E. coli demonstrated that it is feasible to stably introduce eight to nine mutations. This significant finding provides a technological foundation for future development of optogenetic tools.

Free Research Field

生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究ではBEdep_AAProf法を用いることで、計算科学的に電荷部分布を変えた安定なタンパク質分子を設計可能であることが示された。これは今後、医療および産業面において重要な機能性分子の開発にも新たな方法論を与えるものである。また実験で得られた外向きナトリウムポンプ型ロドプシンの８～９重変異体は、今後N末に膜貫通ヘリックスを追加することで配向を反転させたロドプシンの構造をさらに安定化することで、ナトリウムイオン選択的なオプトジェネティクスツールの開発に貢献すると期待される。