Elucidation of intramolecular heat transfer mechanism for construction of highly effective photothermal protein heaters
| Project Area | Next-generation non-invasive biological deep-tissue manipulation by biomolecular engineering and low physical energy logistics |
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| Project/Area Number |
20H05756
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (III)
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
Mizuno Misao 大阪大学, 大学院理学研究科, 助教 (10464257)
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| Project Period (FY) |
2020-10-02 – 2023-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥38,090,000 (Direct Cost: ¥29,300,000、Indirect Cost: ¥8,790,000)
Fiscal Year 2022: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000)
Fiscal Year 2020: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000)
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| Keywords | タンパク質ヒーター / 光熱エネルギー変換 / 振動エネルギー移動 / アンチストークスラマン散乱 / 時間分解共鳴ラマン分光法 / ヘムタンパク質 / アンチストークス散乱 / 分光学的温度計 |
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| Outline of Research at the Start |
熱は細胞内において情報伝達因子である。熱シグナルによる情報伝達の機構解明と制御のためには、細胞内での効率的かつ部位選択的な加熱技術が求められている。本研究では、外部からの光エネルギー入力によって熱シグナルを生み出すレシーバ分子として、高効率の分子ヒーターとして働くタンパク質（タンパク質ヒーター）を開発する。そのために、時間分解共鳴アンチストークスラマン分光法により、アミノ酸残基単位でタンパク質分子内熱伝導機構を解明する。得られた機構の理解に基づき、熱伝導に関与する構造因子を最適化したタンパク質ヒーターによる細胞加熱技術を創出する。
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| Outline of Final Research Achievements |
Diffusion processes of excess vibrational energy generated by photoexcitation of heme in heme proteins were spatiotemporally mapped at the level of a single amino acid residue using the anti-Stokes Raman scattering of a tryptophan residue in the protein as a spectroscopic probe. Taking advantage of characteristic structures of proteins, we observed the dependence of the vibrational energy flow on the distance from the heme group and revealed that the protein is highly thermally conductive due to its dense packing. We also demonstrated that the anti-Stokes Raman intensity of tryptophan is an excellent spectroscopic thermometer to determine the local internal temperature in the protein in a nonequilibrium state. In addition, we demonstrated that heme proteins have sufficient heat releasability following photothermal energy conversion on heme as protein-based molecular heaters.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
タンパク質を細胞中で分子ヒーターとして利用した熱シグナルによる細胞操作はこれまでに例がない。本研究では、ヘムタンパク質が高効率な光熱エネルギー変換分子ヒーターとして機能することを、分子内熱伝導機構の解明および水溶媒加熱能計測により明らかにした。タンパク質ヒーターは、生合成されるため生体への負荷が非常に小さく、遺伝子工学により細胞内の特定のオルガネラに局在できる。光熱変換タンパク質ヒーターを用いた細胞内熱シグナルの制御は、高い加熱効率かつ高い空間選択性という点で従来法に比べて優位性があり、オプトジェネティクスに比肩する革新的な細胞操作技術の創成に本研究成果は重要な知見を与えた。
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Report
(4 results)
Research Products
(36 results)
