光駆動ナトリウムポンプの分子メカニズムの解明

• Project/Area Number: 15J06631
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 加藤 善隆 名古屋工業大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 光化学 / ナトリウム / プロトン / ポンプ / 分光 / タンパク質 / イオン選択性 / 光遺伝学

Outline of Annual Research Achievements

光駆動ナトリウムポンプKR2は、ナトリウムを細胞質側から細胞外側へと一方向に輸送する。これまでの研究で、KR2は細胞外側にナトリウム結合サイトを持つことがわかっていたが、その役割についてははっきりと分かっていなかった。私達はアムステルダム自由大学（オランダ）・John T. M. Kennis教授のグループと共同で、フェムト－サブミリ秒誘導ラマン分光法を用いて光反応ダイナミクスを調べることで、ナトリウム結合サイトに関する新たな知見を得ることに成功した。細胞外側にナトリウムが結合していない状態では、ピコ－マイクロ秒領域に観測されるK/LおよびL/M中間体の平衡がL中間体側に偏ることが明らかにり、一方で、輸送するイオンの種類はこの時間領域の光反応ダイナミクスに影響を与えないことが明らかになった。本研究成果はPhysical Chemistry Chemical Physicsに掲載されている（第4著者）。
また、新たなイオンポンプ「光駆動内向きプロトンポンプ」について報告した。これまでに見つかっていた外向きプロトンポンプとの比較により、イオン輸送の方向性について研究を行なっている。我々は、海洋性細菌Parvularcula oceaniの遺伝子上から発見された3つの新たなロドプシンに対して、発現確認と機能測定を行ない、その内の1つが光駆動内向きプロトンポンプの機能をもつことを明らかにした。さらに、この光駆動内向きプロトンポンプPoXeRに対して各種分光測定を行ない、その性質と機能メカニズムの一端を明らかにした。成果はNature Communicationsに掲載されている（第3著者）。イオン輸送の方向性制御機構の解明は、光駆動ポンプの研究における重要な課題の一つである。今後、ナトリウムポンプのメカニズム研究・機能改変への波及が期待される。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] VU University Amsterdam(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Universita di Siena(Italy)
• [Int'l Joint Research] Bowling Green State University(米国)
• [Journal Article] A natural light-driven inward proton pump (2016)
  • Author(s): Keiichi Inoue, Shota Ito, Yoshitaka Kato, Yurika Nomura, Mikihiro Shibata, Takayuki Uchihashi, Satoshi P. Tsunoda and Hideki Kandori
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 7 Issue: 1 Pages: 13415-13415
  • DOI: 10.1038/ncomms13415
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] "Toward automatic rhodopsin modeling as a tool for high-throughput computational photobiology" (2016)
  • Author(s): F. Melaccio, M. del Carmen Marin, A. Valentini, F. Montisci, S. Rinaldi, M. Cherubini, X. Yang, Y. Kato, M. Stenrup, Y. Orozco-Gonzalez, N. Ferre, H. L. Luk, H. Kandori, M. Olivucci*
  • Journal Title: J.Chem. Theory Comput. Volume: 12 Issue: 12 Pages: 6020-6034
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00367
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] "Primary photocycle of Na+ pump rhodopsin probed by baseline-free femto- to submillisecond stimulated Raman spectroscopy" (2016)
  • Author(s): Y. Hontani, K. Inoue, M. Kloz, Y. Kato, H. Kandori, J. T. M. Kennis*
  • Journal Title: Phys. Chem. Chem. Phys. Volume: 18 Issue: 35 Pages: 24729-24736
  • DOI: 10.1039/c6cp05240a
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Mutant of a light-driven sodium ion pump can transport cesium ions (2016)
  • Author(s): M. Konno, Y. Kato, H. E. Kato, K. Inoue, O. Nureki, H. Kandori*
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 7 Issue: 1 Pages: 51-55
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b02385
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Kinetic analysis of H+-Na+ selectivity in a light-driven Na+-pumping rhodopsin (2015)
  • Author(s): Y. Kato , K. Inoue, H. Kandori*
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 6 Issue: 24 Pages: 5111-5115
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b02371
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump (2015)
  • Author(s): H. E. Kato, K. Inoue, R. Abe-Yoshizumi, Y. Kato, H. Ono, M. Konno, S. Hososhima, T. Ishizuka, M. R. Hoque, H. Kunitomo, J. Ito, S. Yoshizawa, K. Yamashita, M. Takemoto, T. Nishizawa, R. Taniguchi, K. Kogure, A. D. Maturana, Y. Iino, H. Yawo, R. Ishitani, H. Kandori*, O. Nureki*
  • Journal Title: Nature Volume: 未定 Issue: 7550 Pages: 48-53
  • DOI: 10.1038/nature14322
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 光駆動内向きプロトンポンプにおける輸送ダイナミクスの研究 (2016)
  • Author(s): 加藤善隆、井上圭一、神取秀樹
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会 第42回討論会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 2016-12-19
• [Presentation] Microbial rhodopsins with unique photoreaction (2016)
  • Author(s): Yoshitaka Kato, Keiichi Inoue, Shota Ito, Satoshi Tsunoda, Yurika Nomura, Hideki Kandori
  • Organizer: The 54th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Place of Presentation: Tsukuba, Japan
  • Year and Date: 2016-11-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光駆動ナトリウムポンプのH+-Na+選択性の過渡吸収測定による解析 (2016)
  • Author(s): 加藤善隆、井上圭一、神取秀樹
  • Organizer: 日本生物物理学会中部支部講演会
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Year and Date: 2016-02-29
• [Presentation] Na+ポンプ型ロドプシンKR2のH+‐Na+選択性 (2015)
  • Author(s): 加藤善隆、井上圭一、吉住玲、神取秀樹
  • Organizer: 新学術領域研究「柔らかな分子系」第11回ワークショップ「光駆動ナトリウムポンプからタンパク質の柔らかさと機能のつながりを考える」
  • Place of Presentation: 犬山
  • Year and Date: 2015-10-28
• [Presentation] 光駆動ナトリウムポンプの速度論的研究 (2015)
  • Author(s): 加藤善隆、井上圭一、吉住玲、神取秀樹
  • Organizer: 第9回分子科学討論会
  • Place of Presentation: 大岡山
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Ion uptake mechanism of a light-driven Na+-H+ pump, KR2 (2015)
  • Author(s): Yoshitaka Kato, Keiichi Inoue, Rei Abe-Yoshizumi, Hideki Kandori
  • Organizer: The 53rd Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • Place of Presentation: Kanazawa, Japan
  • Year and Date: 2015-09-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mechanisms of two different function on KR2 (2015)
  • Author(s): Yoshitaka Kato, Keiichi Inoue, Rei Abe-Yoshizumi, Yuichi Hashimoto, Hideki Kandori
  • Organizer: 10th EBSA European Biophysics Congress
  • Place of Presentation: Dresden, Germany
  • Year and Date: 2015-07-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Kinetic analysis of the ion-uptake mechanism in light-driven Na+ pump, KR2 (2015)
  • Author(s): Yoshitaka Kato, Keiichi Inoue, Rei Abe-Yoshizumi, Hideki Kandori
  • Organizer: KAKENHI International Symposium on "Studying the Function of Soft Molecular Systems"
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2015-07-09
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 光によってナトリウムイオンを細胞外へと運び出す仕組の解明
  • URL: http://www.nitech.ac.jp/news/news/2015/3358.html
• [Remarks] 光でセシウムイオンを細胞から汲み出すタンパク質の創成に成功！
  • URL: http://www.nitech.ac.jp/news/press/2015/4235.html