計算機シミュレーションによるチャネルロドプシンの構造と機能の解析

• Project/Area Number: 14J03041
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: The University of Tokyo (2015); Tokyo Institute of Technology (2014)
• Principal Investigator: 渡邉 宙志 東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2015: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: オプトジェネティクス / 光受容タンパク質 / チャネルロドプシン / 分子シミュレーション / QM/MM / ロドプシン

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、オプトジェネティクスにおいて、重要なツールとなるタンパク質ChRの３つの分子特性、1)イオン選択性、２）反応キネティクス、３）光吸収波長制御を計算機シミュレーションにより解析し、工学的応用からの要請に応じた分子設計へと役立てることを目的とした。
（成果１）ChRの機能において、タンパク質内外を出入りする大量の水分子が重要な役割を果たす。それら水分子を計算精度よく取り扱うためには、量子化学的効果を計算に取り込む必要がある。しかし、水分子のダイナミクスにおいて理論的枠組みが存在しなかった。そこで本研究は、量子力学計算と古典力学計算を組み合わせたQM/MM法を発展させ、Size-Consistent Multipartitioning (SCMP) QM/MM法を開発した。これにより溶媒効果を初めて、量子力学的精度で取り込むことに成功した。同手法は、汎用性が高く様々な系や物理量の算出に応用が可能である。最初の応用として、水の赤外分光スペクトル計算に適用し、溶媒の量子力学的効果の重要性を実証した。
（成果２）イオン選択性に重要な寄与を示すアミノ酸残基を特定し、それら変異体を作成して、陽イオンチャネルであるChRから陰イオンチャネルを生み出すことに成功した。この変異型ChRは、オプトジェネティクスにおいて神経シグナルのブッロッカーとして今後の利用に期待を集めている。
また、ChRの活性部位の構造が類似タンパク質と比較して非常に柔軟性に富んでいることを発見し、特定のアミノ酸残基置換が活性部位のダイナミクスを通して、吸収波長を変化させることを解明した。
当初３年を予定していた本研究は、研究遂行者の異動により１年２ヶ月で終了した。そのため、最終目標である開発した新しい手法を、ChRに適用するには至らなかったが、順調な研究の推移から今後の更なる展開が期待できる。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Karlsruhe Institute of Technology(Germany)
• [Journal Article] Thermal fluctuations enable rapid protein-protein associations inaqueous solution by lowering the reaction barrier (2016)
  • Author(s): Honami Sakaizawa, Hiroshi C. Watanabe, Tadaomi Furuta, Minoru Sakurai
  • Journal Title: Chem. Phys. Lett. Volume: 643 Pages: 114-118
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2015.11.014
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] An adaptive quantum mechanics/molecular mechanics method for the infrared spectrum of water: incorporation of the quantum effect between solute and solvent (2016)
  • Author(s): Hiroshi C. Watanabe, Misa Banno, Minoru Sakurai
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 18 Issue: 10 Pages: 7318-7333
  • DOI: 10.1039/c5cp07136d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Active site structure and absorption spectrum of channelrhodopsin-2 wild-type and C128T mutant (2016)
  • Author(s): Yanan Guo, Franziska E Beyle, Beatrix M Bold, Hiroshi C Watanabe, Axel Koslowski, Walter Thiel, Peter Hegemann, Marco Marazzi, Marcus Elstner
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 未定 Issue: 6 Pages: 3879-3891
  • DOI: 10.1039/c6sc00468g
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analysis of free energy and structural change of G3LEA peptide in the binding process to a POPC bilayer (2015)
  • Author(s): Misa Banno, Hiroshi C. Watanabe, Tadaomi Furuta, Minoru Sakurai
  • Journal Title: Cryobiology and Cryotechnology Volume: 6 Pages: 105-109
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Conversion of Channelrhodopsin into a Light-Gated Chloride Channel (2014)
  • Author(s): Jonas Wietek, J. Simon Wiegert, Nona Adeishvili, Franziska Schneider, Hiroshi Watanabe, Satoshi P. Tsunoda, Arend Vogt, Marcus Elstner, Thomas G. Oertner, Peter Hegemann
  • Journal Title: Science Volume: 344 Issue: 6182 Pages: 409-412
  • DOI: 10.1126/science.1249375
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Size-Consistent Multipartitioning QM/MM: A Stable and Efficient adaptive QM/MM method (2014)
  • Author(s): Hiroshi C Watanabe, Tomas Kubar, Marcus Elstner
  • Journal Title: Journal of Chemical Theory and Computation Volume: 10 Issue: 10 Pages: 4242-4252
  • DOI: 10.1021/ct5005593
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] チャネルロドプシンの一分子構造解析とオプトジェネティクスへの応用 (2016)
  • Author(s): 渡邉宙志
  • Organizer: 蛋白研セミナー『構造を基盤とする蛋白質科学における未解決問題』
  • Place of Presentation: 東京大学ENEOSホール （東京都）
  • Year and Date: 2016-03-01
• [Presentation] Size-Consistent Multipartitioning QM/MM method (2015)
  • Author(s): Hiroshi Watanabe
  • Organizer: The 2015 international Chamical Congress of pacific Basin Societies
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawaii, U.S.A.
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] adaptive QM/MM法の赤外分光計算への応用 (2015)
  • Author(s): 渡邉宙志
  • Organizer: 第２９回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 新潟朱鷺メッセ（新潟県）
  • Year and Date: 2015-11-30
• [Presentation] The first application of adaptive quantum mechanics/molecular mechanics method for infrared spectra of liquid water (2015)
  • Author(s): Hiroshi Watanabe
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学 （石川県）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Size-Consistent Multipartitioning QM/MM method (2015)
  • Author(s): 渡辺宙志
  • Organizer: 生体分子系量子化学計算の最前線シンポジウム
  • Place of Presentation: 埼玉県和光市 理化学研究所
  • Year and Date: 2015-01-22 – 2015-01-23
• [Presentation] Size-Consistent Multipartitioning QM/MM method (2014)
  • Author(s): 渡邉宙志
  • Organizer: 第２８回分子シミュレーション討論会
  • Place of Presentation: 宮城県仙台市 仙台市民会館
  • Year and Date: 2014-11-12 – 2014-11-14
• [Presentation] Theoretical approach toward an understanding molecular functions of channelrhodopsin (2014)
  • Author(s): Hiroshi C Watanabe
  • Organizer: 16th International Conference of Retical Protein
  • Place of Presentation: 滋賀県長浜市 長浜ロイヤルホテル
  • Year and Date: 2014-10-05 – 2014-10-10
• [Presentation] Theoretical approach toward an understanding molecular functions of channelrhodopsins (2014)
  • Author(s): Hiroshi C Watanabe
  • Organizer: International Symposium on Optobiotechnology
  • Place of Presentation: 愛知県名古屋市 名古屋工業大学
  • Year and Date: 2014-10-03
• [Presentation] Theoretical approach toward an understanding of molecular functions of channelrhodopsin (2014)
  • Author(s): Hiroshi C Watanabe
  • Organizer: 第５２回生物物理学会
  • Place of Presentation: 北海道札幌市 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] Computational study of Channelrhodopsins (2014)
  • Author(s): 渡邉宙志
  • Organizer: Sutdying the Function of Soft Molecular Systems by the Concerted Use of Theory and Experiment
  • Place of Presentation: 山梨県北杜市 八ヶ岳ロイヤルホテル
  • Year and Date: 2014-06-03 – 2014-06-05