高度好熱菌ロドプシンにおける構造安定性の追求

• 研究課題/領域番号: 15K18519
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 生物物理学
• 研究機関: 北海道大学 (2017); 岡山大学 (2015-2016)
• 研究代表者: 塚本 卓 北海道大学, 先端生命科学研究院, 助教 (30744271)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2017年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2016年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2015年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: ロドプシン / 膜タンパク質 / イオンポンプ / 構造安定性 / 高度好熱菌 / フラッシュフォトリシス / プロトン移動 / 光受容 / 熱安定性 / 構造安定化 / 光遺伝学

研究成果の概要

本研究では、研究代表者らが高度好熱菌から初めて発見した、光受容体タンパク質・サーモフィリックロドプシン（TRと略）について、（1）TRの高い熱安定性を生み出す構造的要因を明らかにすること、（2）熱以外のさまざまな物理的・化学的刺激に対する構造安定性を調べることを目的として研究を行った。
目的（1）について、可視吸収分光法、X線結晶構造解析法、分子動力学計算法を併用し、TRの構造は分子内部で形成される疎水性相互作用によって高く安定化されていることを明らかにした。目的（2）について、種々の化学物質による構造安定性への影響を網羅的に評価し、熱安定性との相関を明らかにした。

研究成果

• [国際共同研究] Weizmann Institute of Science/The Hebrew University of Jerusalem(Israel)
• [雑誌論文] Spectroscopic characteristics of Rubricoccus marinus xenorhodopsin (RmXeR) and a putative model for its inward H+ transport mechanism (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue Saki、Yoshizawa Susumu、Nakajima Yu、Kojima Keiichi、Tsukamoto Takashi、Kikukawa Takashi、Sudo Yuki
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 20 号: 5 ページ: 3172-3183
  • DOI: 10.1039/c7cp05033j
  • 査読あり
• [雑誌論文] Presence of a Haloarchaeal Halorhodopsin-Like Cl⁻ Pump in Marine Bacteria (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Yu、Tsukamoto Takashi、Kumagai Yohei、Ogura Yoshitoshi、Hayashi Tetsuya、Song Jaeho、Kikukawa Takashi、Demura Makoto、Kogure Kazuhiro、Sudo Yuki、Yoshizawa Susumu
  • 雑誌名: Ｍｉｃｒｏｂｅｓ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ 巻: 33 号: 1 ページ: 89-97
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME17197
  • NAID: 130006581777
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Comparative evaluation of the stability of seven-transmembrane microbial rhodopsins to various physicochemical stimuli (2017)
  • 著者名/発表者名: Honda Naoya、Tsukamoto Takashi、Sudo Yuki
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 巻: 682 ページ: 6-14
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2017.05.055
  • 査読あり
• [雑誌論文] A phylogenetically distinctive and extremely heat stable light-driven proton pump from the eubacterium Rubrobacter xylanophilus DSM 9941T (2017)
  • 著者名/発表者名: Kanehara K, Yoshizawa S, Tsukamoto T, *Sudo Y.
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 7 号: 1 ページ: 44427-44427
  • DOI: 10.1038/srep44427
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Implications for the Light-Driven Chloride Ion Transport Mechanism of Nonlabens marinus Rhodopsin 3 by Its Photochemical Characteristics (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto, T., Yoshizawa, S., Kikukawa, T., Demura, M., Sudo, Y.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 121 ページ: 2027-2038
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Demonstration of a light-driven SO42- transporter and its spectroscopic characteristics (2017)
  • 著者名/発表者名: Niho A, Yoshizawa S, Tsukamoto T, Kurihara M, Tahara S, Nakajima Y, Mizuno M, Kuramochi H, Tahara T, Mizutani Y, *Sudo Y.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 139 号: 12 ページ: 4376-4389
  • DOI: 10.1021/jacs.6b12139
  • NAID: 120006425837
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] An inhibitory role of Arg-84 in anion channelrhodopsin-2 expressed in Escherichia coli (2017)
  • 著者名/発表者名: Doi S, Tsukamoto T, Yoshizawa S, & *Sudo Y.
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 7 号: 1 ページ: 41879-41879
  • DOI: 10.1038/srep41879
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] X-ray crystallographic structure of thermophilic rhodopsin: implications for high thermal stability and optogenetic function (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto T, Mizutani K, Hasegawa T, Takahashi M, Honda N, Hashimoto N, Shimono K, Yamashita K, Yamamoto M, Miyauchi S, Takagi S, Hayashi S, Murata T, Sudo Y.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: in press 号: 23 ページ: 12223-12232
  • DOI: 10.1074/jbc.m116.719815
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 塩濃度に依存したアニオンチャネルロドプシンの光化学的性質の変化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 塚本卓, 菊地ちひろ, 鈴木拓, 相沢智康, 菊川峰志, 出村誠
  • 学会等名: 日本生物物理学会北海道支部例会
• [学会発表] Na+ポンプ型ロドプシンの機能解析：光誘起Na+濃度変化の直接測定の試み (2018)
  • 著者名/発表者名: 村部圭佑, 菊川峰志, 塚本卓, 相沢智康, 出村誠
  • 学会等名: 日本生物物理学会北海道支部例会
• [学会発表] Large-scale expression of anti-microbial peptide cecropin P1 (CP1) in E. coli using calmodulin as fusion partner(抗菌ペプチドcecropin P1 (CP1)のcalmodulinを用いたE. coliを宿主とした大量発現) (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤貴純, 石田博昭, 大沼幸暉, 塚本卓, 菊川峰志, 出村誠, ホーゲル ハンス, 相沢智康
  • 学会等名: 日本農芸化学会2018
• [学会発表] NMRメタボロミクスに適した生体試料調製法の検討 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山野めぐみ，稲村勇雅，北田直也, 清水由宇，久米田博之，熊木康裕，菊川峰志，塚本卓，出村誠，中村公則，綾部時芳，相沢智康
  • 学会等名: 第５６回 NMR討論会
• [学会発表] NMRメタボローム解析を用いたルーメン内繊維分解細菌間相互作用に関する研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 稲村 勇雅，山野 めぐみ，北田 直也，久米田 博之，熊木 康裕，大西 裕季，塚本 卓，菊川 峰志，出村 誠，福間 直希，村住 侑毅，小池 聡，小林 康男，相沢 智康
  • 学会等名: 第５６回 NMR討論会
• [学会発表] 好熱菌由来光駆動プロトンポンプの発色団構造および多量体安定性に膜環境が与える効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 塩谷智巳、水野操、塚本卓、須藤雄気、水谷泰久
  • 学会等名: 日本化学会第97春季大会
• [学会発表] 好熱性バクテリアのレチナールタンパク質：発見と物性解析のこれまでとこれから (2017)
  • 著者名/発表者名: 塚本卓
  • 学会等名: 第54回日本生化学会北海道支部例会
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrasensitive neural silencing activity of anion channelrhodopsin-2 (ACR2) in Caenorhabditis elegans (2017)
  • 著者名/発表者名: Maki, M., Doi, S., Kojima, K., Chowdhury, S., Tsukamoto, T., Yamanaka, A., Takagi, S., Sudo, Y.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] Functional analysis of T126E mutant of Natronomonas pharaonis halorhodopsin (2017)
  • 著者名/発表者名: Abe, S., Kikukawa, T., Tsukamoto, T., Aizawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] Functional analysis of Na+-pumping rhodopsin focusing on acidic residues on the extracellular surface (2017)
  • 著者名/発表者名: Okamura, A., Kikukawa, T., Tsukamoto, T., Aizawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] Over expression of recombinant peamaclein, a cycteine-rich plant allergenic peptide derived from peach pulp (2017)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, H., Kato, T., Yasumoto, M., Iwama, K., Okamura, A., Kato, T., Kitada, N., Kuddus, Md. R., Rumi, F., Tsukamoto, T., Kikukawa, T., Demura, M., Aizawa, T.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] Functional importance of trimer formation of light-driven H+ pump Gloeobacter rhodoosin (2017)
  • 著者名/発表者名: Iizuka, A., Kikukawa, T., Kajimoto, K., Fujisawa, T., Tsukamoto, T., Aizawa, T., Kamo, N., Unno, M., Demura, M.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] Analysis of Na+ transfer reactions of Na+-pumping rhodopsin (2017)
  • 著者名/発表者名: Murabe, K., Kikukawa, T., Tsukamoto, T., Aizawa, T., Kamo, N., Demura, M.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] Light-driven Cl- transport mechanism of Nonlabens marinus rhodopsin-3 studied by static and time-resolved spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto, T., Yoshizawa, S., Kikukawa, T., Demura, M.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] Mass production of fowlicidin, a cathelicidin antimicrobial peptide by a calmodulin-peptide fusion and coexpression system (2017)
  • 著者名/発表者名: Onuma, K., Ishida, H., Kato, T., Tsukamoto, T., Kikukawa, T., Demura, M., Vogel, HJ., Aizawa, T.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] Spectroscopic analysis of RmXeR, an inward H+ pump rhodopsin from the marine bacterium Rubricoccus marinus SG-29T (2017)
  • 著者名/発表者名: Inoue, S., Yoshizawa, S., Kojima, K., Tsukamoto, T., Kikukawa, T., Sudo, Y.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] Distinctive functional and photochemical properties among light-driven sodium ion pumping rhodopsins (2017)
  • 著者名/発表者名: Kurihara, M., Hashimoto, M., Yoshizawa, S., Kojima, K., Tsukamoto, T., Kikukawa, T., Sudo, Y.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第55回年会
• [学会発表] 好熱菌由来光駆動プロトンポンプTRのタンパク質環境が発色団構造に及ぼす影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 塩谷智巳、水野操、塚本卓、須藤雄気、水谷泰久
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会
• [学会発表] Comparative studies on light-driven sodium pumping rhodopsins (2017)
  • 著者名/発表者名: Kurihara, M., Hashimoto, M., Yoshizawa, S., Kojima, K., Tsukamoto, T., Kikukawa, T., Sudo, Y.
  • 学会等名: 日本生物物理学会中四国支部講演会
• [学会発表] Investigation of a phylogenetically distinctive and extremely heat stable light-driven proton pump from the eubacterium Rubrobacter xylanophilus DSM 9941T (2017)
  • 著者名/発表者名: Kanehara, K., Yoshizawa, S., Tsukamoto, T., Sudo, Y.
  • 学会等名: 日本生物物理学会中四国支部講演会
• [学会発表] Subunit-subunit interaction in a light-driven proton pump from a thermophilic bacterium: Effects on hydrogen bond of the chromophore (2017)
  • 著者名/発表者名: Shionoya, T., Mizuno, M., Tsukamoto, T., Sudo, Y., Mizutani, Y.
  • 学会等名: The 6th Asian Spectroscopy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Demonstration of a light-driven SO42- transporter from the cyanobacterium and its spectroscopic characterization (2017)
  • 著者名/発表者名: Niho, A., Yoshizawa, S., Tsukamoto, T., Kurihara, M., Tahata, S., Nakajima, Y., Mizuno, M., Kuramochi, H., Tahara, T., Mizutani, Y., Sudo, Y.
  • 学会等名: International Symposium on Biophysics of Rhodopsins
  • 国際学会
• [学会発表] Functional and spectroscopic characterization of RmXeR, a xenorhodopsin from a marine bacterium Rubricoccus marinus SG-29T (2017)
  • 著者名/発表者名: Inoue, S., Yoshizawa, S., Tsukamoto, T., Sudo, Y.
  • 学会等名: International Symposium on Biophysics of Rhodopsins
  • 国際学会
• [学会発表] Cl--pumping photoreaction of a bacterial halide-ion pumping rhodopsin with an archaeal-type TSA motif (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto, T., Yoshizawa, S., Kikukawa, T., Demura, M., Sudo, Y.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第54回年会
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] Functional characterization of a microbial rhodopsin from the marine eubacterium Rubricoccus marinus SG-29 (2016)
  • 著者名/発表者名: Inoue, S., Yoshizawa, S., Tsukamoto, T., Sudo, Y.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第54回年会
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] Identification of thermostabilizing mutations for thermophilic rhodopsin based on statistical thermodynamics (2016)
  • 著者名/発表者名: Nemoto, S., Yasuda, S., Mizutani, K., Tsukamoto, T., Sudo, Y., Kinoshita, M., Murata, T.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第54回年会
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] Structural basis for high thermal stability and efficient optogenetic function of thermophilic rhodopsin (2016)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto, T., Mizutani, K., Hasegawa, T., Takahashi, M., Honda, N., Hashimoto, N., Shimono, K., Miyauchi, S., Takagi, S., Hayashi, S., Murata, T., Sudo, Y.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第54回年会
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] A light-dependent Cl-/H+ antiport activity in anion channelrhodopsin-2 (2016)
  • 著者名/発表者名: Doi, S., Tsukamoto, T., Chowdhury, S., Yoshizawa, S., Yamanaka, A., Sudo, Y.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第54回年会
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] Functional significance of trimerization in Cl- pumping properties of halorhodopsin examined by nanodisc reconstitution (2016)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto, E., Suzuki, K., Yamamoto, A., Tsukamoto, T., Uchida, T., Kikukawa, T., Demura, M., Ishimori, K.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第54回年会
  • 発表場所: つくば市
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] 高度好熱菌Thermus thermophilus 由来サーモフィリックロドプシンの物性研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 塚本卓, 本田尚也, 西川佳吾, 林重彦, 村田武士, 須藤雄気
  • 学会等名: 日本生物物理学会第８回中四国支部講演会
  • 発表場所: 高松市
  • 年月日: 2016-05-28
• [学会発表] 様々な物理化学的刺激に対する安定性の比較から探る微生物型ロドプシンの安定化原理の解明 (2016)
  • 著者名/発表者名: 金原加苗, 吉澤晋, 本田尚也, 塚本卓, 須藤雄気
  • 学会等名: 日本生物物理学会第８回中四国支部講演会
  • 発表場所: 高松市
  • 年月日: 2016-05-28
• [学会発表] アニオンチャネルロドプシン２は光依存性Cl-/H+対向輸送体として機能する (2016)
  • 著者名/発表者名: 土井聡子, 塚本卓, 吉澤晋, 須藤雄気
  • 学会等名: 日本生物物理学会第８回中四国支部講演会
  • 発表場所: 高松市
  • 年月日: 2016-05-28
• [学会発表] 時間分解赤外分光法を用いた熱耐性ロドプシンTRの光反応解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 黒井邦巧, 塚本卓, 本田尚也, 須藤雄気, 古谷祐詞.
  • 学会等名: 日本生物物理学会中部支部講演会
  • 発表場所: 岡崎コンファレンスセンター
  • 年月日: 2016-02-29
• [学会発表] Time-Resolved Infrared Study on the Photoreaction of Thermophilic Rhodopsin (TR) (2015)
  • 著者名/発表者名: Kuroi, K., Tsukamoto, T., Honda, N., Sudo, Y., Furutani, Y.
  • 学会等名: 第9回分子科学討論会
  • 発表場所: 東京工業大学 大岡山キャンパス
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] X-ray Crystal Structure of TR: Implications for High Thermal Stability and High-Performance Optogenetic Availability (2015)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto, T., Mizutani, K., Takahashi, M., Hasegawa, T., Hashimoto, N., Hayashi, S., Takagi, S., Murata, T., Sudo, Y.
  • 学会等名: 日本生物物理学会第53回年会
  • 発表場所: 金沢大学 角間キャンパス 自然科学本館
  • 年月日: 2015-09-13
• [備考] 研究室HP
  • URL: http://altair.sci.hokudai.ac.jp/infana/
• [備考] 岡山大学大学院医歯薬学総合研究科・生体物理化学研究室HP
  • URL: http://www.pharm.okayama-u.ac.jp/lab/bukka/index.html
• [備考] researchmap
  • URL: http://researchmap.jp/takashi_tsukamoto/
• [備考] ResearcherID
  • URL: http://www.researcherid.com/rid/F-3993-2017
• [備考] 北海道大学大学院先端生命科学研究院・生物情報解析科学研究室HP
  • URL: http://altair.sci.hokudai.ac.jp/infana/
• [備考] 研究室HP
  • URL: http://www.pharm.okayama-u.ac.jp/lab/bukka/index.html
• [備考] 岡山大学薬学部HP
  • URL: http://www.pharm.okayama-u.ac.jp