2022 Fiscal Year Annual Research Report
理論的手法による光受容タンパク質の吸収波長と分子機能の制御機構の解明
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22J22246
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
辻村 真樹 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2022-04-22 – 2025-03-31
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| Keywords | 光受容タンパク質 / 吸収波長 / イオン輸送 / 量子化学計算 / 分子動力学シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、光受容タンパク質において最適な吸収波長と分子機能が同一のタンパク質環境で実現する機構を、分子構造の観点から明らかにすることである。本年度は当初の計画通り、色素を1つだけ持ち、比較的単純な構造を持つ微生物ロドプシン、フコキサンチン-クロロフィルa/cタンパク質複合体、photoactive yellow proteinを解析の対象とした。まずは機能発現に重要であるタンパク質内プロトン移動と色素の吸収波長の関係を明らかにするため、量子化学計算により、色素が形成する低障壁水素結合上で起こるプロトン移動に伴う色素の吸収波長変化を解析した。色素がプロトンを授受するプロトン移動に伴い吸収波長が連続的に変化することを明らかにするとともに、吸収波長変化の機構をプロトン移動に伴う分子軌道エネルギー変化から一般的に説明することができた。また光励起に4つの分子軌道が関わるクロロフィルcについて、プロトン化状態の変化に伴う吸収波長の変化が、光励起に2つの分子軌道が関わる色素とは異なる機構で起こることを明らかにした。次に機能が未解明であるヘリオロドプシンについて、その機能解明の手がかりになるタンパク質内プロトン移動について解析した。量子化学計算によりプロトン移動のエナジェティクスを評価することで、とりうるプロトン移動経路を明らかにした。また分子動力学法を用いることで、その経路上で起こるプロトン移動に伴う、細胞外側で起こるタンパク質構造変化や、細胞質側で誘起されるタンパク質の水素結合ネットワークの揺らぎを明らかにした。本研究成果はヘリオロドプシンの機能解明への手がかりになるものであると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
様々なタンパク質 (微生物ロドプシン、フコキサンチン-クロロフィルa/cタンパク質複合体、photoactive yellow protein) に対する解析を行い、プロトン移動およびそれに伴う色素の吸収波長変化について重要な知見を得た。また、構造も機能も異なるタンパク質を比較し、差分をとることで、タンパク質が機能する上で持つ普遍性および、それぞれのタンパク質が持つ特異性を見出すという目標に近づきつつある。研究成果は筆頭著者として3報の論文が国際誌に受理されるとともに、国際：1件、国内：5件の学会発表を行うことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き光受容タンパク質の「吸収波長」と「分子機能」をキーワードに研究を推進する。他の微生物ロドプシンにはみられない650 nm程度の長波長領域に吸収を持つ微生物ロドプシンについて、長波長光を吸収するに至る機構を明らかにする。その機構解明により、あらゆる微生物ロドプシンを長波長化するような分子デザインを実現することが最終的な目標である。膜電位センサーとして利用されるタンパク質複合体について、高いエネルギー移動効率を実現する方法を計算科学の観点から明らかにする。光照射に伴うプロトン移動反応が起こるタンパク質と起こらないタンパク質の、水素結合のエナジェティクスやタンパク質のダイナミクスを比較することで、プロトン移動反応に必須である構造的要因を明らかにする。プロトンの輸送方向が異なるタンパク質を比較することで、プロトンの輸送方向を決定づける構造的要因を明らかにする。さらに分子振動にも注目し、分子振動とプロトン移動の関係を明らかにすることで、分子振動がプロトン移動のプローブになることを示すことも目指す。
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