ロドプシンの多様性の探求と可能性の追求

• 研究課題/領域番号: 18H02411
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分43040:生物物理学関連
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 須藤 雄気 岡山大学, 医歯薬学総合研究科, 教授 (10452202)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2020年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2019年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2018年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: ロドプシン / 光 / 生物物理 / オプトジェネティクス / エネルギー変換

研究成果の概要

ロドプシンは、生物三大ドメイン（真核生物・真正細菌・古細菌）に分布する光受容膜タンパク質の総称で、光エネルギー・情報変換を介し生命機能の根幹を司る：基礎的重要性。また、光遺伝学（オプトジェネティクス）を生み出した分子として、脳神経科学に利用されている：応用的重要性。しかしながら、これまでに研究対象となっているロドプシンはわずかであり、大部分は手つかずである。そこで本研究は「ロドプシンの多様性の探究と可能性の追求」を目的とし、未解析ロドプシンの発現・精製（1. 探索）と精密解析（2. 解析）で多様性を探求し、それらの機能・特性を利用した新奇オプトジェネティクス（3. 操作）の可能性を追求した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は生物の光応答の理解と利用を目的に、「ロドプシンの多様性の探究と可能性の追求」を行った。『学術的意義』：多様な新規ロドプシンの発見と解析に成功するとともに、その多様性の理解に基づく生命機能の新奇光操作を実現した。これにより、これまで神経科学への適用にとどまっていたオプトジェネティクスの可能性を大きく広げ、生物物理学・生化学・細胞生物学・環境学など様々な分野に大きなインパクトを与えた。『社会的意義』：本研究により、ロドプシンの基礎的理解と光操作が飛躍的に進展し、「光をくすりにする」社会の実現に向けて前進した。

研究成果

• [国際共同研究] モンテレーベイ水族館(米国)
• [国際共同研究] ワイズマン研究所(イスラエル)
• [国際共同研究] Weizmann Institute of Science(イスラエル)
• [雑誌論文] Further thermo‐stabilization of thermophilic rhodopsin from Thermus thermophilus JL ‐18 through engineering in extramembrane regions (2021)
  • 著者名/発表者名: Akiyama Tomoki、Kunishima Naoki、Nemoto Sayaka、Kazama Kazuki、Hirose Masako、Sudo Yuki、Matsuura Yoshinori、Naitow Hisashi、Murata Takeshi
  • 雑誌名: Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 巻: 89 号: 3 ページ: 301-310
  • DOI: 10.1002/prot.26015
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanism of absorption wavelength shifts in anion channelrhodopsin-1 mutants (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsujimura Masaki、Noji Tomoyasu、Saito Keisuke、Kojima Keiichi、Sudo Yuki、Ishikita Hiroshi
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics 巻: 1862 号: 2 ページ: 148349-148349
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148349
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] マルチタレント光受容タンパク質「ロドプシン」 (2021)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気、小島慧一
  • 雑誌名: 現代化学 巻: 5 ページ: 50-53
• [雑誌論文] Lokiarchaeota archaeon schizorhodopsin-2 (LaSzR2) is an inward proton pump displaying a characteristic feature of acid-induced spectral blue-shift (2020)
  • 著者名/発表者名: Kojima Keiichi、Yoshizawa Susumu、Hasegawa Masumi、Nakama Masaki、Kurihara Marie、Kikukawa Takashi、Sudo Yuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 20857-20857
  • DOI: 10.1038/s41598-020-77936-9
  • NAID: 120006955824
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Applicability of Styrene-Maleic Acid Copolymer for Two Microbial Rhodopsins, RxR and HsSRI. (2020)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Ueta, Keiichi Kojima, Tomoya Hino, Mikihiro Shibata, Shingo Nagano, Yuki Sudo*
  • 雑誌名: Biophysical journal 巻: 119 号: 9 ページ: 1760-1770
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2020.09.026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparative Studies of the Fluorescence Properties of Microbial Rhodopsins: Spontaneous Emission Versus Photointermediate Fluorescence (2020)
  • 著者名/発表者名: Kojima Keiichi、Kurihara Rika、Sakamoto Masayuki、Takanashi Tsukasa、Kuramochi Hikaru、Zhang Xiao Min、Bito Haruhiko、Tahara Tahei、Sudo Yuki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 124 号: 34 ページ: 7361-7367
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c06560
  • 査読あり
• [雑誌論文] Green-Sensitive, Long-Lived, Step-Functional Anion Channelrhodopsin-2 Variant as a High-Potential Neural Silencing Tool (2020)
  • 著者名/発表者名: Kojima Keiichi、Miyoshi Natsuki、Shibukawa Atsushi、Chowdhury Srikanta、Tsujimura Masaki、Noji Tomoyasu、Ishikita Hiroshi、Yamanaka Akihiro、Sudo Yuki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 11 号: 15 ページ: 6214-6218
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c01406
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A unique clade of light-driven proton-pumping rhodopsins evolved in the cyanobacterial lineage (2020)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa Masumi、Hosaka Toshiaki、Kojima Keiichi、Nishimura Yosuke、Nakajima Yu、Kimura-Someya Tomomi、Shirouzu Mikako、Sudo Yuki、Yoshizawa Susumu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 16752-16752
  • DOI: 10.1038/s41598-020-73606-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Interaction of Escherichia coli and its culture supernatant with Vibrio vulnificus during biofilm formation (2020)
  • 著者名/発表者名: Ohn Han‐Min、Mizuno Tamaki、Sudo Yuki、Miyoshi Shin‐Ichi
  • 雑誌名: Microbiology and Immunology 巻: 64 号: 9 ページ: 593-601
  • DOI: 10.1111/1348-0421.12829
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bacterium Lacking a Known Gene for Retinal Biosynthesis Constructs Functional Rhodopsins (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Yu、Kojima Keiichi、Kashiyama Yuichiro、Doi Satoko、Nakai Ryosuke、Sudo Yuki、Kogure Kazuhiro、Yoshizawa Susumu
  • 雑誌名: Microbes and Environments 巻: 35 号: 4 ページ: n/a-n/a
  • DOI: 10.1264/jsme2.me20085
  • NAID: 130007950468
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 微生物ロドプシンの多様性と可能性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気、小島慧一
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 60 号: 4 ページ: 209-214
  • DOI: 10.2142/biophys.60.209
  • NAID: 130007881674
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vectorial Proton Transport Mechanism of RxR, a Phylogenetically Distinct and Thermally Stable Microbial Rhodopsin (2020)
  • 著者名/発表者名: Kojima Keiichi、Ueta Tetsuya、Noji Tomoyasu、Saito Keisuke、Kanehara Kanae、Yoshizawa Susumu、Ishikita Hiroshi、Sudo Yuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41598-019-57122-2
  • NAID: 120006884916
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Unlimited Potential of Microbial Rhodopsins as Optical Tools (2020)
  • 著者名/発表者名: Kojima K, Shibukawa A, Sudo Y
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 59(3) 号: 3 ページ: 218-229
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.9b00768
  • NAID: 120006939595
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] How Does a Microbial Rhodopsin RxR Realize Its Exceptionally High Thermostability with the Proton-Pumping Function Being Retained? (2020)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Tomohiko、Yasuda Satoshi、Suzuki Kano、Akiyama Tomoki、Kanehara Kanae、Kojima Keiichi、Tanabe Mikio、Kato Ryuichi、Senda Toshiya、Sudo Yuki、Murata Takeshi、Kinoshita Masahiro
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 124 号: 6 ページ: 990-1000
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b10700
  • 査読あり
• [雑誌論文] Methodology for Further Thermostabilization of an Intrinsically Thermostable Membrane Protein Using Amino Acid Mutations with Its Original Function Being Retained (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Satoshi、Akiyama Tomoki、Nemoto Sayaka、Hayashi Tomohiko、Ueta Tetsuya、Kojima Keiichi、Tsukamoto Takashi、Nagatoishi Satoru、Tsumoto Kouhei、Sudo Yuki、Kinoshita Masahiro、Murata Takeshi
  • 雑誌名: Journal of Chemical Information and Modeling 巻: 60 号: 3 ページ: 1709-1716
  • DOI: 10.1021/acs.jcim.0c00063
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photochemical Characterization of a New Heliorhodopsin from the Gram-Negative Eubacterium Bellilinea caldifistulae (BcHeR) and Comparison with Heliorhodopsin-48C12 (2019)
  • 著者名/発表者名: Shibukawa A, Kojima K, Nakajima Y, Nishimura Y, Yoshizawa S, Sudo Y
  • 雑誌名: Biochemistry 巻: 58(26) 号: 26 ページ: 2934-2943
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.9b00257
  • NAID: 120006847070
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitation of the neural silencing activity of anion channelrhodopsins in Caenorhabditis elegans and their applicability for long-term illumination (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamanashi T, Maki M, Kojima K, Shibukawa A, Tsukamoto T, Chowdhury S, Yamanaka A, Takagi S, Sudo Y
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 9(1) 号: 1 ページ: 7863-7863
  • DOI: 10.1038/s41598-019-44308-x
  • NAID: 120006733902
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A distinct lineage of giant viruses brings a rhodopsin photosystem to unicellular marine predators (2019)
  • 著者名/発表者名: Needham David M.、Yoshizawa Susumu、Hosaka Toshiaki et. al.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 116 号: 41 ページ: 20574-20583
  • DOI: 10.1073/pnas.1907517116
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] GABA neurons in the ventral tegmental area regulate non-rapid eye movement sleep in mice (2019)
  • 著者名/発表者名: Chowdhury Srikanta、Matsubara Takanori、Miyazaki Toh、Ono Daisuke、Fukatsu Noriaki、Abe Manabu、Sakimura Kenji、Sudo Yuki、Yamanaka Akihiro
  • 雑誌名: eLife 巻: 8
  • DOI: 10.7554/elife.44928
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Application of High-Sensitivity UV photoemission Spectroscopy to Examine the Electronic Structure of Thermophilic Rhodopsin (2019)
  • 著者名/発表者名: Sano Daisuke、Ide Ichiro、Akiyama Tomoki、Tanaka Yuya、Sudo Yuki、Murata Takeshi、Ishii Hisao
  • 雑誌名: Molecular Crystals and Liquid Crystals 巻: 687 号: 1 ページ: 34-39
  • DOI: 10.1080/15421406.2019.1648052
  • 査読あり
• [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] Mutational analysis of the conserved carboxylates of anion channelrhodopsin-2 (ACR2) expressed in <i>Escherichia coli</i> and their roles in anion transport (2018)
  • 著者名/発表者名: Kojima Keiichi、C. Watanabe Hiroshi、Doi Satoko、Miyoshi Natsuki、Kato Misaki、Ishikita Hiroshi、Sudo Yuki
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 15 号: 0 ページ: 179-188
  • DOI: 10.2142/biophysico.15.0_179
  • NAID: 130007472538
  • ISSN: 2189-4779
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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] Retinal configuration of ppR intermediates revealed by photo-irradiation solid-state NMR and DFT (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshiteru Makino, Izuru Kawamura, Takashi Okitsu, Akimori Wada, Naoki Kamo, Yuki Sudo, Kazuyoshi Ueda, Akira Naito
  • 雑誌名: Biophys. J 巻: 115 号: 1 ページ: 72-83
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2018.05.030
  • NAID: 120006698118
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correction to “High Thermal Stability of Oligomeric Assemblies of Thermophilic Rhodopsin in a Lipid Environment” (2018)
  • 著者名/発表者名: Shionoya Tomomi、Mizuno Misao、Tsukamoto Takashi、Ikeda Kento、Seki Hayato、Kojima Keiichi、Shibata Mikihiro、Kawamura Izuru、Sudo Yuki、Mizutani Yasuhisa
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 122 号: 42 ページ: 9826-9826
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b09660
  • 査読あり
• [雑誌論文] Retinal?Salinixanthin Interactions in a Thermophilic Rhodopsin (2018)
  • 著者名/発表者名: Misra Ramprasad、Eliash Tamar、Sudo Yuki、Sheves Mordechai
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 123 号: 1 ページ: 10-20
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b06795
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 『光 が くすりになる！？』 (2020)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 第８回青陵サイエンストーク
  • 招待講演
• [学会発表] ロドプシンの生物物理化学研究： 光 が くすりになる！？ (2019)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 第141回（2019年）・日本薬学会中国四国支部例会
  • 招待講演
• [学会発表] 『光 が くすりになる！？』 (2019)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 岡山大学病院・市民フォーラム2019
  • 招待講演
• [学会発表] A bottom-up approach to Utilizing Microbial Rhodopsins for Optogenetics (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuki Sudo
  • 学会等名: 2019 ESP-IUPB World Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 微生物型 ロドプシンによる ボトムアップ型 光操作ツール開発 (2019)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 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] Promoting Optogenetics by Microbial Rhodopsins (2019)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 第11回・光操作研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Light can be used a Drug: What should we learn from the photoactive retinal proteins (2018)
  • 著者名/発表者名: Sudo Y.
  • 学会等名: Lecture for graduated students at the department of applied chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 光依存性イオンポンプとイオンチャネルの機能解析と機能変換 (2018)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 第3回イオンチャネル研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 生体由来光受容分子ロドプシンの機能多様性と光操作ツール開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 第67回高分子討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Diversity of microbial rhodopsins and their applicability for optogenetics (2018)
  • 著者名/発表者名: Sudo Y.
  • 学会等名: The 18th International Conference on Retinal Proteins
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Optical control of biological activities by microbial rhodopsins (2018)
  • 著者名/発表者名: Sudo Y.
  • 学会等名: The Voltage Imaging Mini Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.pharm.okayama-u.ac.jp/lab/bukka/
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.pharm.okayama-u.ac.jp/lab/bukka/index.html
• [産業財産権] 光により細胞死を制御する方法 (2020)
  • 発明者名: 須藤雄気、小島慧一、中尾新
  • 権利者名: 須藤雄気、小島慧一、中尾新
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-196718
  • 出願年月日: 2020
• [産業財産権] 膜電位センサー (2020)
  • 発明者名: 坂本雅行、チョウシャオミン、尾藤晴彦、須藤雄気、小島慧一
  • 権利者名: 坂本雅行、チョウシャオミン、尾藤晴彦、須藤雄気、小島慧一
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-070136
  • 出願年月日: 2020