複数の機能単位を連動させる分子機能の科学

• 研究課題/領域番号: 17H01184
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 物理化学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 水谷 泰久 大阪大学, 理学研究科, 教授 (60270469)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 44,850千円 (直接経費: 34,500千円、間接経費: 10,350千円); 2019年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円); 2018年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円); 2017年度: 23,270千円 (直接経費: 17,900千円、間接経費: 5,370千円)
• キーワード: アロステリー / 振動分光学 / ラマン分光法 / タンパク質ダイナミクス

研究成果の概要

PASタンパク質およびロドプシンタンパク質について、機能発現のトリガーとなる変化からそのキーステップに至る過程において、複数の機能部位に起きる構造変化を多面的に観測し、複数の機能部位間の連動性を明らかにした。並行して、明らかになった連動的な構造変化とタンパク質の機能活性の相関を定量的に調べ、どのような構造変化がタンパク質機能を生み出す鍵であるのかを同定した。さらに、鍵となる構造変化の同定に基づき、新規機能をもった人工タンパク質の創成を行うことで、分子機能を生み出す連動性機構を明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

化学の進展によって、化学者はある機能を持った分子を設計し、それを実際に合成することができるようになった。しかし、複数の機能単位を組み合わせ、互いに連動する、より高度な機能分子を創ることはいまだに困難である。それは合成の技術的な難しさのためではなく、連動させる原理がわからないためであり、原理がわからなければ設計のしようがないためである。タンパク質は高度な連動性機構を持っており、本研究で得られた成果は連動性をもった機能分子を設計する重要な知見を与える。

研究成果

• [雑誌論文] Allosteric Communication with the Retinal Chromophore upon Ion Binding in a Light-Driven Sodium Ion-Pumping Rhodopsin. (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Otomo, M. Mizuno, K. Inoue, H. Kandori, Y. Mizutani
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 59 (4) 号: 4 ページ: 520-529
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.9b01062
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distortion and a Strong Hydrogen Bond in the Retinal Chromophore Enable Sodium Ion Transport by the Sodium Ion Pump KR2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Nao Nishimura, Misao Mizuno, Hideki Kandori, and Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 印刷中 号: 16 ページ: 3430-3440
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b00928
  • 査読あり
• [雑誌論文] Soft chromophore featured liquid porphyrins and their utilization toward liquid electret applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Ghosh Avijit、Yoshida Manabu、Suemori Kouji、Isago Hiroaki、Kobayashi Nagao、Mizutani Yasuhisa、Kurashige Yuki、Kawamura Izuru、Nirei Masami、Yamamuro Osamu、Takaya Tomohisa、Iwata Koichi、Saeki Akinori、Nagura Kazuhiko、Ishihara Shinsuke、Nakanishi Takashi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12249-8
  • NAID: 120006898089
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of a bound anion on the structure and dynamics of halorhodopsin from Natronomonas pharaonis (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Mizuno, Y. Shimoo, H. Kandori, Y. Mizutani*
  • 雑誌名: Struct. Dynamics 巻: 6(5) 号: 5 ページ: 54703-54703
  • DOI: 10.1063/1.5125621
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Production of a Light-Gated Proton Channel by Replacing the Retinal Chromophore with Its Synthetic Vinylene Derivative. (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Takayama, A. Kaneko , T. Okitsu, S. P. Tsunoda, K. Shimono , M. Mizuno, K. Kojima, T. Tsukamoto, H. Kandori, Y. Mizutani, A. Wada, Y. Sudo
  • 雑誌名: J Phys Chem Lett 巻: 9 号: 11 ページ: 2857-2862
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b00879
  • 査読あり
• [雑誌論文] High thermal stability of oligomeric assemblies of Thermophilic rhodopsin in a lipid environment. (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shionoya, Misao Mizuno, Takashi Tsukamoto, Kento Ikeda, Hayato Seki, Keiichi Kojima, Mikihiro Shibata, Izuru Kawamura, Yuki Sudo, and Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 122 号: 27 ページ: 6945-6953
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b04894
  • 査読あり
• [雑誌論文] Resonance Raman Investigation of the Chromophore Structure of Heliorhodopsins (2018)
  • 著者名/発表者名: Otomo Akihiro、Mizuno Misao、Singh Manish、Shihoya Wataru、Inoue Keiichi、Nureki Osamu、B?j? Oded、Kandori Hideki、Mizutani Yasuhisa
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 9 号: 22 ページ: 6431-6436
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b02741
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Force detection of high-frequency electron paramagnetic resonance spectroscopy of microliter solution sample (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsubasa Okamoto、Hideyuki Takahashi、Eiji Ohmichi、Haruto Ishikawa、Yasuhisa Mizutani、Hitoshi Ohta
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 113 号: 22 ページ: 223702-223702
  • DOI: 10.1063/1.5055743
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tertiary Dynamics of Human Adult Hemoglobin Fixed in R and T Quaternary Structures (2018)
  • 著者名/発表者名: Shanyan Chang, Misao Mizuno, Haruto Ishikawa and Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 20 号: 5 ページ: 3363-3372
  • DOI: 10.1039/c7cp06287g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Evolution of a Retinal Chromophore in the Photocycle of Halorhodopsin from Natronobacterium pharaonis (2018)
  • 著者名/発表者名: Misao Mizuno, Ayumi Nakajima, Hideki Kandori, and Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 122 号: 9 ページ: 2411-2423
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.7b12332
  • 査読あり
• [雑誌論文] Opn5L1 is a retinal receptor that behaves as a reverse and self-regenerating photoreceptor (2018)
  • 著者名/発表者名: Sato Keita、Yamashita Takahiro、Ohuchi Hideyo、Takeuchi Atsuko、Gotoh Hitoshi、Ono Katsuhiko、Mizuno Misao、Mizutani Yasuhisa、Tomonari Sayuri、Sakai Kazumi、Imamoto Yasushi、Wada Akimori、Shichida Yoshinori
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 号: 1 ページ: 1255-1255
  • DOI: 10.1038/s41467-018-03603-3
  • NAID: 120006535079
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Time-Resolved Resonance Raman Spectroscopy and Application to Studies on Ultrafast Protein Dynamics (2017)
  • 著者名/発表者名: Mizutani Yasuhisa
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 90 号: 12 ページ: 1344-1371
  • DOI: 10.1246/bcsj.20170218
  • NAID: 130006250360
  • ISSN: 0009-2673, 1348-0634
  • 査読あり
• [学会発表] 新規光駆動内向きプロトン輸送タンパク質SzRのレチナール発色団構造の特徴 (2020)
  • 著者名/発表者名: 塩谷 智巳、Manish Singh、水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] 新規光受容タンパク質ヘリオロドプシンが持つ長寿命光反応中間体の発色団構造の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 潤井泰斗、大友 章裕・水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] ナトリウムイオン輸送タンパク質KR2の発色団が持つ水素結合様式の特異性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 篠崎 友香、大友 章裕、水野 操、吉住 玲、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 日本化学会第100春季年会
• [学会発表] Atomic contacts drive ultrafast helix motions in myoglobin (2020)
  • 著者名/発表者名: Shinya Tahara
  • 学会等名: 11th Asian Conference on Ultrafast Phenomena
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 時間分解紫外共鳴ラマン分光法によるタンパク質ダイナミクス観測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 水野操
  • 学会等名: 日本分光学会紫外フロンティア講演会「紫外フロンティア分光研究の最前線」、名古屋大学 東山キャンパス、令和2年1月6日
  • 招待講演
• [学会発表] 新型光受容タンパク質Heliorhodopsinの発色団構造 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大友 章裕、水野 操、Manish Singh、志甫谷 渉、井上 圭一、濡木 理、Oded Beja、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会
• [学会発表] 新奇光受容タンパク質ヘリオロドプシンの超高速ダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 田原 進也、Manish Singh、 倉持 光、志甫谷 渉、井上 圭一、濡木 理、Oded Beja、水谷 泰久、神取 秀樹、田原 太平
  • 学会等名: 2019年度日本分光学会年次講演会
• [学会発表] Atomic Contacts Drive Structural Changes of Myoglobin (2019)
  • 著者名/発表者名: Shinya Tahara, Misao Mizuno, and Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: Nineteenth International Conference on Time-Resolved Vibrational Spectroscopy
  • 国際学会
• [学会発表] Time-resolved UV resonance Raman observation of protein dynamics of a light-driven sodium ion-pumping rhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: Akihito Otomo, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, and Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: Nineteenth International Conference on Time-Resolved Vibrational Spectroscopy
  • 国際学会
• [学会発表] ハロロドプシンのタンパク質ダイナミクスにおけるアニオン依存性の要因 (2019)
  • 著者名/発表者名: 水野 操、下尾 祐未、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [学会発表] ミオグロビンの構造変化を駆動する原子間接触 (2019)
  • 著者名/発表者名: 田原 進也、水野 操、水谷 泰久
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [学会発表] 時間分解紫外共鳴ラマン分光法によるKR2の構造ダイナミクスの観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大友 章裕、水野 操、井上 圭一、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 第13回分子科学討論会
• [学会発表] 時間分解共鳴ラマン分光法でタンパク質の化学反応を観る (2019)
  • 著者名/発表者名: 水野操
  • 学会等名: 2019年度日本分光学会年次講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Allosteric dynamics of the oxygen sensor protein FixL (2019)
  • 著者名/発表者名: Haruto Ishikawa
  • 学会等名: 6th Awaji International Workshop on “Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Primary Protein Responses to Chromophore Photoreaction in Photoreceptive Proteins (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: The 5th International Conference on Ultrafast Structural Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Protein Dynamics of a Light-Driven Sodium Ion-Pumping Rhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: Telluride Science Research Center Workshop on Protein Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 時間分解振動分光法とロドプシン研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 水谷泰久
  • 学会等名: ISSPワークショップ「レチナールタンパク質の光機能発現の物理と化学」
  • 招待講演
• [学会発表] Structure and Dynamics of the Retinal Chromophore of Microbial Ion Pumps: A Time-Resolved Resonance Raman Study (2019)
  • 著者名/発表者名: Misao Mizuno
  • 学会等名: Indo-Japan workshop "Frontiers in Molecular Spectroscopy: From Fundamentals to Applications in Chemistry and Biology"
  • 招待講演
• [学会発表] A comparison of the structures in two functional conditions of Krokinobacter rhodopsin 2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Otomo, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: 26th International Conference on Raman Spectroscopy
  • 国際学会
• [学会発表] 脊椎動物がもつ新規光センサーOpn5L1の不活性状態の発色団構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 水野 操、水谷 泰久、佐藤 恵太、大内 淑代、山下 高廣、酒井 佳寿美、今元 泰、七田 芳則、山野 由美子、和田 昭盛
  • 学会等名: 第12回分子科学討論会
• [学会発表] 光駆動ナトリウムイオンポンプの多量体安定性に影響を与える因子 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大友 章裕、水野 操、井上 圭一、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 第12回分子科学討論会
• [学会発表] Chromophore Structure in an Inactive State of a Novel Photosensor Opn5L1 of Vertebrates (2018)
  • 著者名/発表者名: Misao Mizuno, Yasuhisa Mizutani, Keita Sato, Hideyo Ohuchi, Takahiro Yamashita, Kazumi Sakai, Yasushi Imamoto, Yoshinori Shichida, Yumiko Yamano, Akimori Wada
  • 学会等名: 18th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of Solubilized Conditions on the Oligomerization of KR2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Otomo, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: 18th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] High Thermal Stability of Oligomeric Assembly of Thermophilic Rhodopsin in Lipid Bilayer (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomomi Shionoya, Misao Mizuno, Takashi Tsukamoto, Kento Ikeda, Keiichi Kojima, Mikihiro Shibata, Yuki Sudo, and Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: 18th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会
• [学会発表] Compactness of Protein Structure Facilitates Vibrational Energy Flow (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: 26th International Conference on Raman Spectroscopy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Light-driven cation pump mechanism of a sodium ion pump derived by its chromophore structure of photointermediates (2018)
  • 著者名/発表者名: Misao Mizuno
  • 学会等名: 26th International Conference on Raman Spectroscopy
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ナトリウムイオン結合に伴う光駆動型ナトリウムイオンポンプKR2の構造変化観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大友 章裕、水野 操、井上 圭一、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 日本化学会第97春季年会
• [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 (2018)
  • 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春季年会
• [学会発表] 時間分解共鳴ラマン分光法を研ぐ (2018)
  • 著者名/発表者名: 水谷泰久
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第38回年次大会
  • 招待講演
• [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: Tomomi Shionoya, Misao Mizuno, Takashi Tsukamoto, Yuki Sudo, and Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: The 6th Asian Spectroscopy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] ナトリウムイオンポンプの発色団構造と光駆動カチオン輸送機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 水野 操、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会
• [学会発表] 光駆動型ナトリウムイオン輸送タンパク質KR2のイオンに依存した立体構造の違い (2017)
  • 著者名/発表者名: 大友 章裕、水野 操、井上 圭一、神取 秀樹、水谷 泰久
  • 学会等名: 第11回分子科学討論会
• [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] Importance of atomic contacts to propagations in protein: functional compactness (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: Telluride Science Research Center Workshop on Protein Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-resolved resonance Raman study on roles of hydrogen bonds in light-driven ion-pumping proteins (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasuhisa Mizutani
  • 学会等名: The 6th Asian Spectroscopy Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 大阪大学 大学院理学研究科 化学専攻 生物物理化学研究室
  • URL: http://www.chem.sci.osaka-u.ac.jp/lab/mizutani/index-jp.html