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Development of ultrasonic and magnetic field-sensitive receiver molecules and their application to muscle tissue formation promotion technology

Planned Research

Project AreaNext-generation non-invasive biological deep-tissue manipulation by biomolecular engineering and low physical energy logistics
Project/Area Number 20H05758
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (III)
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

井上 圭一  東京大学, 物性研究所, 准教授 (90467001)

Project Period (FY) 2020-10-02 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
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)
Keywords磁気操作 / 超音波操作 / 機械受容チャネル / 筋組織形成誘導 / カルシウム / 深部生体操作 / 光熱変換 / 超音波 / 磁場 / 低物理エネルギーロジスティクス
Outline of Research at the Start

本研究では機械受容タンパク質や、巨大鉄ナノ粒子含有タンパク質であるフェリチンへ選択的に結合するフェリチン結合ドメインなどを用いて、超音波・磁場の二つのタイプの低物理エネルギーに高感度に応答するレシーバ分子を新たにデザインし、イオンチャネルの開閉を外部から操作可能な分子システムを構築する。さらにこれらを筋幹細胞中の小胞体へターゲッティングし、磁場および超音波を照射することで小胞体からのCa2+放出を誘発し、筋細胞への分化を促進する生体操作法の実現を目指す。これにより事故や疾患、老化に伴う筋力低下を低減・回復し、クオリティオブライフ(QOL)の向上を目指した医療応用につながる要素技術の開発を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本計画研究では、超音波や磁場に高感度で応答し、イオン輸送を行う新規レシーバ分子を開発し、さらにそれによってイオンチャネルを駆動することで、低物理エネルギーを生理機能に変換するシステムを構築する。そして最終的にそれらを用いた筋細胞の分化誘発の達成を目指す。2021年度はこのうち磁場操作のため、PIEZO1やTRPV4のほか、細菌由来の巨大径機械受容チャネルであるMscLへ、細胞内に普遍的に存在し巨大鉄ナノ微粒子を内包するフェリチンを、フェリチン結合ドメイン(FBD)を介して結合させる分子系の開発を行った。さらにフェリチンとMscLにそれぞれFRB、FKBPタグを導入することで、ラパマイシンを用いて分子間の結合を誘導するコンストラクトの作製も行った。これらのコンストラクトのイオン輸送能を効率的に評価するため、細胞に陰圧を加えた際に生じるイオン流を測定するパッチクランプ系を新たに構築した。これにより設計したPIEZO1、MscLのコンストラクトが、野生型に近い機械受容能と整流性のないイオン輸送活性を保持していることを確認した。特にMscLについては単一チャネルコンダクタンスがおよそ0.7nS程度と大きなものであり、効率的な磁場操作を可能にするものとして期待される。
さらに磁場刺激法について、新たに20mT程度の高周波磁場を印加できる系を構築し、より多様な形での磁場刺激を可能とした。そのほかフェリチンとチャネルの結合をより正確に評価するため、全反射蛍光顕微鏡を用いた一分子顕微鏡の構築を行い、一分子レベルで細胞表面の分子の観察が可能であることを確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2021年度は磁場操作のため、PIEZO1やTRPV4のほか、細菌由来の巨大径機械受容チャネルであるMscLへ、細胞内に普遍的に存在し巨大鉄ナノ微粒子を内包するフェリチンを、FBDもしくはFRB-ラパマイシン-FKBPを介して強固に結合させるコンストラクトの作製も行った。またこれらコンストラクトが異なる機械受容チャネルの輸送能を効率的に評価するため、新たに構築した陰圧刺激型のパッチクランプこれにより、設計したPIEZO1、MscLのコンストラクトが、野生型に近い機械受容能とイオン輸送活性を保持していることを確認した。さらに磁場刺激法について、新たに20mT程度の高周波磁場を印加できる系を構築し、より多様な形での磁場刺激を可能とした。そのほかフェリチンとチャネルの結合をより正確に評価するため、全反射顕微鏡の構築を行い、一分子レベルで細胞表面の分子の観察が可能であることを確認した。
以上のことから、本年度予定されていた研究項目は概ね達成することができ、順調な研究の進展が見られた。

Strategy for Future Research Activity

本年度複数のコンストラクトについて、良好なチャネル活性が見られ、また高強度パルス、高周波、定常など異なる形での磁場刺激が可能な系の構築も完了したことから、次年度においてはこれらを用いて、実際に細胞の活動を制御することを試みる。磁場印加によるイオン流の変化が少ない場合は、新たに構築した一分子観察系を用いて、イオンチャネルへのフェリチンの結合を評価し、それを指針に最も強いフェリチンの結合が可能な分子設計を行っていく。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(64 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (21 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Peer Reviewed: 21 results,  Open Access: 10 results) Presentation (41 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 17 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Diverse Heliorhodopsins Detected via Functional Metagenomics in Freshwater Actinobacteria, Chloroflexi and Archaea2022

    • Author(s)
      Ariel Chazan, Andrey Rozenberg, Kentaro Mannen, Takashi Nagata, Ran Tahan, Shir Yaish, Shirley Larom, Keiichi Inoue, Oded Beja, Alina Pushkarev
    • Journal Title

      Environmental Microbiology

      Volume: 24 Pages: 110-121

    • DOI

      10.1111/1462-2920.15890

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  • [Journal Article] Structural Basis for Channel Conduction in the Pump-like Channelrhodopsin ChRmine2022

    • Author(s)
      K. E. Kishi, Y. S. Kim, M. Fukuda, T. Kusakizako, E. Thadhani, E. F. X. Byrne, J. M. Paggi, C. Ramakrishnan, T. E. Matsui, K. Yamashita, T. Nagata, M. Konno, P. Y. Wang, M. Inoue, T. Benster, T. Uemura, K. Liu, M. Shibata, N. Nomura, S. Iwata, O. Nureki, R. O. Dror, K. Inoue, K. Deisseroth, H. E. Kato
    • Journal Title

      Cell

      Volume: 185 Pages: 672-689.e23

    • DOI

      10.1016/j.cell.2022.01.007

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  • [Journal Article] Structural Characterization of Proton-pumping Rhodopsin Lacking a Cytoplasmic Proton Donor Residue by X-ray Crystallography2022

    • Author(s)
      Kano Suzuki, Maria del Carmen Marin, Masae Konno, Reza Bagherzadeh, Takeshi Murata, Keiichi Inoue
    • Journal Title

      Journal of Biological Chemistry

      Volume: 298 Pages: 101722

    • DOI

      10.1016/j.jbc.2022.101722

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  • [Journal Article] Saccharibacteria Harness Light Energy Using Type-1 Rhodopsins That May Rely on Retinal Sourced from Microbial Hosts2022

    • Author(s)
      Alexander L. Jaffe, Masae Konno, Yuma Kawasaki, Chihiro Kataoka, Oded Beja, Hideki Kandori, Keiichi Inoue, Jillian F. Banfield
    • Journal Title

      The ISME Journal

      Volume: オンライン公開 Pages: オンライン公開

    • DOI

      10.1038/s41396-022-01231-w

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  • [Journal Article] Thermostable Light-Driven Inward Proton Pump Rhodopsins2021

    • Author(s)
      Yuma Kawasaki, Masae Konno, Keiichi Inoue
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 779 Pages: 138868

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2021.138868

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    • Author(s)
      Masae Konno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori
    • Journal Title

      Bio-protocol

      Volume: 11 Pages: e4115

    • DOI

      10.21769/BioProtoc.4115

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  • [Journal Article] Microbial Rhodopsins: The Last Two Decades2021

    • Author(s)
      Andrey Rozenberg, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Oded Beja
    • Journal Title

      Annual Review of Microbiology

      Volume: 75 Pages: 427-447

    • DOI

      10.1146/annurev-micro-031721-020452

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    • Author(s)
      Yuta Nakajima, Laura Pedraza-Gonzalez, Leonardo Barneschi, Keiichi Inoue, Massimo Olivucci, Hideki Kandori
    • Journal Title

      Communications Biology

      Volume: 4 Pages: 1185

    • DOI

      10.1038/s42003-021-02684-z

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    • Author(s)
      Paul-Adrian Bulzu, Vinicius Silva Kavagutti, Maria-Cecilia Chiriac, Charlotte D. Vavourakis, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Adrian-Stefan Andrei, Rohit Ghai
    • Journal Title

      mSphere

      Volume: 6 Pages: e00661-21

    • DOI

      10.1128/mSphere.00661-21

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  • [Journal Article] Rhodopsins at a Glance2021

    • Author(s)
      Takashi Nagata, Keiichi Inoue
    • Journal Title

      Journal of Cell Science

      Volume: 134 Pages: jcs258989

    • DOI

      10.1242/jcs.258989

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  • [Journal Article] TAT Rhodopsin is a UV-Dependent Environmental pH Sensor2021

    • Author(s)
      Chihiro Kataoka, Teppei Sugimoto, Shunta Shigemura, Kota Katayama, Satoshi P. Tsunoda, Keiichi Inoue, Oded Beja, Hideki Kandori
    • Journal Title

      Biochemistry

      Volume: 60 Pages: 899-907

    • DOI

      10.1021/acs.biochem.0c00951

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    • Author(s)
      Keiichi Inoue, Masayuki Karasuyama, Ryoko Nakamura, Masae Konno, Daichi Yamada, Kentaro Mannen, Takashi Nagata, Yu Inatsu, Hiromu Yawo, Kei Yura, Oded Beja, Hideki Kandori, Ichiro Takeuchi
    • Journal Title

      Communications Biology

      Volume: 4 Pages: 362

    • DOI

      10.1038/s42003-021-01878-9

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    • Author(s)
      K. Oda, T. Nomura, T. Nakane, K. Inoue, S. Ito, J. Vierock, ... R. Ishitani, S. Hayashi, H. Kandori, P. Hegemann, S. Iwata, M. Kubo, T. Nishizawa, O. Nureki
    • Journal Title

      eLife

      Volume: 10 Pages: e62389

    • DOI

      10.7554/eLife.62389

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    • Author(s)
      Akimitsu Higuchi, Wataru Shihoya, Masae Konno, Tatsuya Ikuta, Hideki Kandori, Keiichi Inoue, Osamu Nureki
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

      Volume: 118 Pages: e2016328118

    • DOI

      10.1073/pnas.2016328118

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  • [Journal Article] Schizorhodopsins: A Novel Family of Rhodopsins from Asgard archaea that Function as Light-Driven Inward H+ Pumps2020

    • Author(s)
      Keiichi Inoue, Satoshi P. Tsunoda, Manish Singh, Sahoko Tomida, Shoko Hososhima, Masae Konno, Ryoko Nakamura, Hiroki Watanabe, Paul-Adrian Bulzu, Horia L. Banciu, Adrian-Stefan Andrei, Takayuki Uchihashi, Rohit Ghai, Oded Beja, Hideki Kandori
    • Journal Title

      Science Advances

      Volume: 6 Pages: eaaz2441

    • DOI

      10.1126/sciadv.aaz2441

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    • Author(s)
      Yujiro Nagasaka, Shoko Hososhima, Naoko Kubo, Takashi Nagata, Hideki Kandori, Keiichi Inoue, Hiromu Yawo
    • Journal Title

      Biophysics and Physicobiology

      Volume: 17 Pages: 59-70

    • DOI

      10.2142/biophysico.BSJ-2020007

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    • Author(s)
      Kazuhiro J. Fujimoto, Keiichi Inoue
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 153 Pages: 45101

    • DOI

      10.1063/5.0013642

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      Yu Inatsu, Masayuki Karasuyama, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Ichiro Takeuchi
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      Neural Computation

      Volume: 32 Pages: 1998-2031

    • DOI

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      Neural Computation

      Volume: 32 Pages: 2486-2531

    • DOI

      10.1162/neco_a_01332

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      Keiichi Inoue
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      The Journal of Biological Chemistry

      Volume: 295 Pages: 14805-14806

    • DOI

      10.1074/jbc.H120.016032

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      Masae Konno, Yumeka Yamauchi, Keiichi Inoue, Hideki Kandori
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 15 Pages: e0243387

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0243387

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  • [Presentation] シグナルペプチドを持つMarine group II 古細菌由来Clade-Cロドプシンの分子特性2021

    • Author(s)
      今野雅恵、Bu Xu、Apoorva Prabhu、Yang Liu、Meng Li、Oded Beja、Chuanlun Zhang、Christian Rinke、Lu Fan、井上圭一
    • Organizer
      第59回生物物理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Color Tuning of Microbial Rhodopsin Proteins: Combined Spectroscopic and QM/MM Modeling Studies2021

    • Author(s)
      Maria del Carmen Marin Perez、Konno Masae、Laura Pedraza-Gonzalez、Luca De Vico、Massimo Olivucci、Keiichi Inoue
    • Organizer
      第59回生物物理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 高温環境由来のアーキアから発見されたシゾロドプシンの熱安定性研究2021

    • Author(s)
      川﨑佑真、今野雅恵、井上 圭一
    • Organizer
      第59回生物物理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] レチナール光異性化酵素として働く動物ロドプシンの分光学的解析2021

    • Author(s)
      森本直也、永田崇、井上 圭一
    • Organizer
      第59回生物物理学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 機械学習による微生物ロドプシンの吸収波長予測2021

    • Author(s)
      井上圭一、烏山昌幸、神取秀樹、竹内一郎
    • Organizer
      第44回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Color Tuning of Microbial Rhodopsin Proteins: Combained Spectroscopic and QM/MM Modeling Studies2021

    • Author(s)
      Maria del Carmen Marin Perez、今野雅恵、Laura Pedraza-Gonzalez、Luca De Vico、Massimo Olivucci、井上圭一
    • Organizer
      第44回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] The diversity and the molecular mechanism of light-driven inward proton pump rhodopsins2021

    • Author(s)
      Keiichi Inoue
    • Organizer
      The International Chemical Congress of Pachific Basin Societies (Pacifichem) 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Red-shifting mutation of light-driven sodium-pump rhodopsin2021

    • Author(s)
      Keiichi Inoue、Maria del Carmen Marin Perez、Sahoko Tomida、Ryoko Nakamura、Yuta Nakajima、Massimo Olivucci、Hideki Kandori
    • Organizer
      The International Chemical Congress of Pachific Basin Societies (Pacifichem) 2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Detection of Functional Processes of Photoreceptive Proteins by Muon2021

    • Author(s)
      Keiichi Inoue, Tamiko Kiyotani, Ichiro Tanaka
    • Organizer
      ISIS Muon Illumination Workshop
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Molecular physiological study on rhodopsin-based visual and non-visual photoreceptions of a jumping spiser2021

    • Author(s)
      永田 崇
    • Organizer
      日本比較生理生化学会第43回札幌大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Spectral characterization of vertebrate opsins acting as a retinal photoisomerase2021

    • Author(s)
      森本直也、永田崇、井上圭一
    • Organizer
      日本比較生理生化学会第43回札幌大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] タンパク質のボトムアップ機能向上への機械学習法の応用2021

    • Author(s)
      井上 圭一
    • Organizer
      ISSPワークショップ「物性科学におけるデータ科学の今と未来」
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Photobiology of new microbial rhodopsins2021

    • Author(s)
      Keiichi Inoue
    • Organizer
      BPS - Biophysical Society 65th Annual Meeting
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 新奇な微生物型ロドプシンの光機能およびその光反応メカニズム2021

    • Author(s)
      井上 圭一
    • Organizer
      第3回晝間輝夫光科学賞・令和2年度研究助成金贈呈式
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Sir Martin Wood Prize Lecture: The emerging world of microbial rhodopsins in photobiology2020

    • Author(s)
      Keiichi Inoue
    • Organizer
      MPI-FKF Seminar
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      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Sir Martin Wood Prize Lecture: The emerging world of microbial rhodopsins in photobiology2020

    • Author(s)
      Keiichi Inoue
    • Organizer
      MRC LMB Seminar
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 光駆動型内向きプロトンポンプ、シゾロドプシンのプロトン輸送メカニズム2020

    • Author(s)
      井上 圭一、志甫谷 渉、今野 雅恵、樋口 晶光、但馬 聖也、古谷 祐詞、川﨑 佑真、永田 崇、八尾 寛、川村 出、神取 秀樹、濡木 理
    • Organizer
      第43回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 光駆動型内向きH+ポンプ型シゾロドプシンのH+輸送メカニズムの分光及び構造研究2020

    • Author(s)
      井上 圭一、志甫谷 渉、今野 雅恵、樋口 晶光、但馬 聖也、古谷 祐詞、川﨑 佑真、永田 崇、八尾 寛、川村 出、神取 秀樹、濡木 理
    • Organizer
      日本生体エネルギー研究会第46回討論会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 海洋性細菌のCl-ポンプロドプシンにおける波長制御メカニズムの変異体解析2020

    • Author(s)
      永田 崇、烏山 昌幸、中島 悠、吉澤 晋、竹内 一郎、井上 圭一
    • Organizer
      日本生体エネルギー研究会第46回討論会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] TATロドプシンのpKaと多量体形成の制御における保存されたグルタミン酸の役割2020

    • Author(s)
      萬年 健太郎、永田 崇、戸叶 貴也、内橋 貴之、Oded Beja、井上 圭一
    • Organizer
      日本生体エネルギー研究会第46回討論会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 微生物ロドプシンの吸収波長の自在制御に向けた機械学習法の開発2020

    • Author(s)
      井上 圭一
    • Organizer
      日本バイオインダストリー協会・発酵と代謝研究会勉強会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] アスガルド古細菌の持つ新奇光駆動型内向きプロトンポンプ、シゾロドプシンの輸送メカニズム2020

    • Author(s)
      井上 圭一、志甫谷 渉、今野 雅恵、樋口 晶光、但馬 聖也、古谷 祐詞、川﨑 佑真、永田 崇、八尾 寛、川村 出、神取 秀樹、濡木 理
    • Organizer
      日本化学会 第101春季年会 (2021)
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      2020 Annual Research Report
  • [Book] Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications in Neuroscience and Beyond2021

    • Author(s)
      Keiichi Inoue
    • Total Pages
      37
    • Publisher
      Springer Nature
    • ISBN
      978-981-15-8763-4
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      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 東京大学物性研究所・井上研究室

    • URL

      https://inoue.issp.u-tokyo.ac.jp/index.html

    • Related Report
      2021 Annual Research Report 2020 Annual Research Report

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Published: 2020-10-30   Modified: 2022-12-28  

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