中間体構造解析による光感受性膜タンパク質の光エネルギー変換機構の解明

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Non-equilibrium-state molecular movies and their applications
• Project/Area Number: 22H04742
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 福田 昌弘 東京大学, 大学院総合文化研究科, 特任助教 (80827155)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 構造生物学

Outline of Annual Research Achievements

自然界には多様な光感受性タンパク質が光エネルギーを様々な仕事に変換している。本研究は、光感受性膜タンパク質の光エネルギー変換機構を、光反応中間体の時分割解析により解明する研究である。フェムト秒からマイクロ秒オーダーという超高速の微細な構造変化を捉えることを得意とするXFEL技術と、ミリ秒オーダー以上の反応中間体を解明するCryo-EM法を組み合わせる相乗効果により、分子動画法を一層発展させる。 本研究では、現在までに、光感受性タンパク質の高速分子動画の解明に向けて、発現精製条件の検討から高品質な試料の調製に成功し、さらに装置の改良・開発に成功している。今後はこれらの結果を踏まえて、光感受性膜タンパク質の光反応中間体の時分割解析から、その光エネルギー変換機構を詳細に明らかとすることを目指す。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

自然界には多様な光感受性タンパク質が光エネルギーを様々な仕事に変換している。本研究は、光感受性膜タンパク質の光エネルギー変換機構を、光反応中間体の時分割解析により解明する研究である。本研究では、現在までに、各種光感受性タンパク質の高速分子動画の解明に向けて、発現精製条件の検討から高品質な試料の調製に成功している。特に、構造解析で鍵となると考えられる光反応効率を大きく向上させるような条件を見出すことに成功している。さらに、独自開発の装置の3段階に及ぶ改良にも成功しており、本研究は当初の計画以上に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

これまでに調製に成功している高純度かつ均一性の高い試料と独自の装置を用いて、各種光感受性タンパク質の高速分子動画の解明を目指す。具体的には、クライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析から構造多型をクラス分けして多種類のコンフォーメーションを分けて構造決定する。さらに得られた構造情報をもとにした電気生理解析や分光解析、分子動力学シミュレーションを組み合わせることで、各種光感受性タンパク質の分子機構を文字通り動的に理解することを目指す。

Research Products

• [Journal Article] Structural basis for ion selectivity in potassium-selective channelrhodopsins (2022)
  • Author(s): Seiya Tajima, Yoon Seok Kim, Masahiro Fukuda, Eamon F.X. Byrne, Peter Y. Wang, Joseph M. Paggi, Koichiro E. Kishi, Charu Ramakrishnan, ..., Masatoshi Inoue, Hideki Kandori, Ron O. Dror, Keiichi Inoue, Karl Deisseroth, Hideaki E. Kato
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1101/2022.10.30.514430
  • Open Access / Int'l Joint Research