光駆動ナトリウムポンプの分子メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 15J06631
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 研究代表者: 加藤 善隆 名古屋工業大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 2016年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2015年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] VU University Amsterdam(オランダ)
• [国際共同研究] Universita di Siena(Italy)
• [国際共同研究] Bowling Green State University(米国)
• [雑誌論文] A natural light-driven inward proton pump (2016)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue, Shota Ito, Yoshitaka Kato, Yurika Nomura, Mikihiro Shibata, Takayuki Uchihashi, Satoshi P. Tsunoda and Hideki Kandori
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 7 号: 1 ページ: 13415-13415
  • DOI: 10.1038/ncomms13415
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] "Toward automatic rhodopsin modeling as a tool for high-throughput computational photobiology" (2016)
  • 著者名/発表者名: 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*
  • 雑誌名: J.Chem. Theory Comput. 巻: 12 号: 12 ページ: 6020-6034
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00367
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] "Primary photocycle of Na+ pump rhodopsin probed by baseline-free femto- to submillisecond stimulated Raman spectroscopy" (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Hontani, K. Inoue, M. Kloz, Y. Kato, H. Kandori, J. T. M. Kennis*
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 18 号: 35 ページ: 24729-24736
  • DOI: 10.1039/c6cp05240a
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Mutant of a light-driven sodium ion pump can transport cesium ions (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Konno, Y. Kato, H. E. Kato, K. Inoue, O. Nureki, H. Kandori*
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett. 巻: 7 号: 1 ページ: 51-55
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b02385
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Kinetic analysis of H+-Na+ selectivity in a light-driven Na+-pumping rhodopsin (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Kato , K. Inoue, H. Kandori*
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett. 巻: 6 号: 24 ページ: 5111-5115
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b02371
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural basis for Na+ transport mechanism by a light-driven Na+ pump (2015)
  • 著者名/発表者名: 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*
  • 雑誌名: Nature 巻: 未定 号: 7550 ページ: 48-53
  • DOI: 10.1038/nature14322
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 加藤善隆、井上圭一、神取秀樹
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会 第42回討論会
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 2016-12-19
• [学会発表] Microbial rhodopsins with unique photoreaction (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Kato, Keiichi Inoue, Shota Ito, Satoshi Tsunoda, Yurika Nomura, Hideki Kandori
  • 学会等名: The 54th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 発表場所: Tsukuba, Japan
  • 年月日: 2016-11-25
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 加藤善隆、井上圭一、神取秀樹
  • 学会等名: 日本生物物理学会中部支部講演会
  • 発表場所: 岡崎
  • 年月日: 2016-02-29
• [学会発表] Na+ポンプ型ロドプシンKR2のH+‐Na+選択性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 加藤善隆、井上圭一、吉住玲、神取秀樹
  • 学会等名: 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」
  • 発表場所: 犬山
  • 年月日: 2015-10-28
• [学会発表] 光駆動ナトリウムポンプの速度論的研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 加藤善隆、井上圭一、吉住玲、神取秀樹
  • 学会等名: 第9回分子科学討論会
  • 発表場所: 大岡山
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Ion uptake mechanism of a light-driven Na+-H+ pump, KR2 (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Kato, Keiichi Inoue, Rei Abe-Yoshizumi, Hideki Kandori
  • 学会等名: The 53rd Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 発表場所: Kanazawa, Japan
  • 年月日: 2015-09-13
  • 国際学会
• [学会発表] Mechanisms of two different function on KR2 (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Kato, Keiichi Inoue, Rei Abe-Yoshizumi, Yuichi Hashimoto, Hideki Kandori
  • 学会等名: 10th EBSA European Biophysics Congress
  • 発表場所: Dresden, Germany
  • 年月日: 2015-07-18
  • 国際学会
• [学会発表] Kinetic analysis of the ion-uptake mechanism in light-driven Na+ pump, KR2 (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Kato, Keiichi Inoue, Rei Abe-Yoshizumi, Hideki Kandori
  • 学会等名: KAKENHI International Symposium on "Studying the Function of Soft Molecular Systems"
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2015-07-09
  • 国際学会
• [備考] 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
• [備考] 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