カロテノイドを光捕集系とするレチナールタンパク質の創出と展開

• 研究領域: 人工光合成による太陽光エネルギーの物質変換：実用化に向けての異分野融合
• 研究課題/領域番号: 15H00878
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 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): 2015-06-29 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2016年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 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 / カロテノイド / 光化学 / 光遺伝学 / 光生物学 / 生物物理学 / 生物物理 / エネルギー移動 / 発色団 / 分子認識 / 生体分子 / レチナール

研究実績の概要

ロドプシン（レチナールタンパク質）は、動物から微生物まで幅広い生物が共通にもっている光受容体タンパク質であり、アポタンパク質を構成する７本の膜貫通αヘリックスの中央部に、アルデヒド型ビタミンAである発色団レチナールが結合した構造を持つ。ロドプシンは、クロロフィルの吸収がほとんどない領域の光（450-600 nm）を吸収することで機能する。具体的には、光吸収によりレチナールの異性化が起こり、続いて様々な特徴を持った光中間体（活性型）となることで、多彩な機能（視覚、ATP合成、膜電位の調節など）が発現する。本研究では、ロドプシンの反応を生物の光応答のモデルと捉え、新規分子の探索・解析とその高機能化を実現することで、人工光合成の可能性を拡げることを目的とした研究を行い、以下の３つの成果をあげた。

[1] ロドプシンは一般に熱に不安定で、その不安定性は高機能化を行う上で支障になる。そこで、安定な分子の探索と解析を行い、安定化分子の取得に成功した。またそれらの高分解能構造を明らかにし、安定化機構の解明に成功した。
[2] 新しい機能を持ったロドプシンの発見や創成は、新しい光生物応答制御を可能とする。そこで、新規ロドプシンの単離・取得・創成を行った。その結果、二価アニオン・SO42-を輸送する新規分子の発見・解析と輸送方向・基質の変換に成功した。
[3] ロドプシンの光反応素子および光遺伝学ツールとしての有用性を高めるため、その高機能化を試みた。アミノ酸変異によるイオン輸送力の10倍の向上、カロテノイドアンテナ結合型分子の創成に成功した。
これらの成果は、JACS誌２報、Sci. Rep.誌２報を含む原著論文として報告するなど、H27-28年の公募期間２年間の間に、当初想定した予想を超える成果をあげることが出来たと自負している。

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] The Hebrew University/Weizman Institute of Science(イスラエル)
• [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] 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] 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] 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: J. Phys. Chem. B 巻: 121 号: 9 ページ: 2027-2038
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.6b11101
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 光受容レチナールタンパク質の構造・機能解析：光+タンパク質＝薬！？ (2016)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 雑誌名: 薬学雑誌 巻: 136 号: 2 ページ: 185-189
  • DOI: 10.1248/yakushi.15-00229-3
  • NAID: 130005121476
  • ISSN: 0031-6903, 1347-5231
  • 年月日: 2016-02-01
• [雑誌論文] Temperature independence of ultrafast photo-isomerization in thermophilic rhodopsin: Assessment vs other microbial proton pumps (2016)
  • 著者名/発表者名: Iyer ES, Misra R, Maity A, Lioubashevski O, Sudo Y, Sheves M, *Ruhman S.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 138 号: 38 ページ: 12401-12407
  • DOI: 10.1021/jacs.6b05002
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Live-cell single-molecule imaging of the cytokine receptor MPL for analysis of dynamic dimerization (2016)
  • 著者名/発表者名: *Sakamoto A, Tsukamoto T, Furutani Y, Sudo Y, Shimada K, Tomita A, Kiyoi H, Kato T, Funatsu T.
  • 雑誌名: J. Mol. Cell Biol. 巻: 8 号: 6 ページ: 553-555
  • DOI: 10.1093/jmcb/mjw027
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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
• [雑誌論文] Functional and Photochemical Characterization of a Light-Driven Proton Pump from the Gammaproteobacterium Pantoea vagans. (2016)
  • 著者名/発表者名: Sudo Y, Yoshizawa S.
  • 雑誌名: Photochem. Photobiol. 巻: in press 号: 3 ページ: 420-427
  • DOI: 10.1111/php.12585
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] オプトジェネティクス (2016)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 雑誌名: 光と生命の事典 巻: 1 ページ: 372-373
• [雑誌論文] Factors affecting the stability and performance of ionic liquid-based planar transient photodetectors (2015)
  • 著者名/発表者名: *Dalgleish, S., Reissig, L., Hu, L., Matsushita, M.M., Sudo, Y., & *Awaga, K.
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 印刷中 号: 18 ページ: 5235-5243
  • DOI: 10.1021/la504972q
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomistic design of microbial opsin-based blue-shifted optogenetics tools (2015)
  • 著者名/発表者名: Kato HE, Kamiya M, Sugo S, Ito J, Taniguchi R, Orito A, Hirata K, Inutsuka A,Yamanaka A, Maturana AD, Ishitani R, Sudo Y, Hayashi S, Nureki O
  • 雑誌名: Nat Commun 巻: 6 号: 1 ページ: 7177-7177
  • DOI: 10.1038/ncomms8177
  • NAID: 120005745621
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Structural and functional roles of the N- and C-terminal extended modules in channelrhodopsin-1 (2015)
  • 著者名/発表者名: Doi S, Mori A, Tsukamoto T, Reissig L, Ihara K, Sudo Y.
  • 雑誌名: Photochem. Photobiol. Sci. 巻: 14 号: 9 ページ: 1628-1636
  • DOI: 10.1039/c5pp00213c
  • 査読あり
• [雑誌論文] 好熱性細菌のレチナールタンパク質 (2015)
  • 著者名/発表者名: 塚本卓、須藤雄気
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 55 号: 2 ページ: 092-094
  • DOI: 10.2142/biophys.55.092
  • NAID: 130005061232
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Color tuning in retinylidene proteins (2015)
  • 著者名/発表者名: Katayama K, Sekharan S, Sudo, Y.
  • 雑誌名: Optogenetics: Light-Sensing Proteins and Their Applications 巻: Chapter 7 ページ: 89-107
  • DOI: 10.1007/978-4-431-55516-2_7
  • ISBN: 9784431555155, 9784431555162
  • 国際共著
• [雑誌論文] Microbial rhodopsins: wide distribution, rich diversity and great potential (2015)
  • 著者名/発表者名: Kurihara M, Sudo Y.
  • 雑誌名: Biophysics and Physicobiology 巻: 12 号: 0 ページ: 121-129
  • DOI: 10.2142/biophysico.12.0_121
  • NAID: 130005131092
  • ISSN: 2189-4779
  • オープンアクセス
• [学会発表] レチナールタンパク質を基盤とした光遺伝学ツール開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 日本薬学会第137年会
  • 発表場所: 宮城県・仙台市
  • 招待講演
• [学会発表] 光受容レチナールタンパク質の 分子機能から考える オプトジェネティクス研究の１０年後 (2016)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 2015年度 第２回バイオ単分子研究会
  • 発表場所: いわき市
  • 年月日: 2016-03-30
  • 招待講演
• [学会発表] Towards production of retinal protein-based optogenetic tools (2016)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 茨城県・つくば市
  • 招待講演
• [学会発表] Comparative study of the ion flux pathway in stator units of proton- and sodium-driven flagellar motors (2016)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 茨城県・つくば市
  • 招待講演
• [学会発表] 発色団に着目したロドプシンの機能変換による光操作ツールの開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 第8回光操作研究会
  • 発表場所: 東京都・港区
  • 招待講演
• [学会発表] 温泉微生物が持つ光受容レチナールタンパク質の機能・構造解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気、塚本卓
  • 学会等名: 第19回日本光生物学協会年会
  • 発表場所: 東京都・文京区
  • 招待講演
• [学会発表] 山あり谷ありの光受容ロドプシンタンパク質研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 金沢大学バイオAFM先端研究センターセミナー
  • 発表場所: 石川県・金沢市
  • 招待講演
• [学会発表] A rich diversity of microbial photoactive retinal proteins with a wide variety of biological functions (2015)
  • 著者名/発表者名: Sudo Y.
  • 学会等名: The 7th Asia and Oceania Conference for Photobiology (AOCP)
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 2015-11-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 微生物光受容レチナールタンパク質の多様性と可能性を探る (2015)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 光化学討論会 光生物関係シンポジウム, 光・生物学：光を感じ、光で操る
  • 発表場所: 大阪市
  • 年月日: 2015-09-09
  • 招待講演
• [学会発表] 光を薬へ！？：レチナールタンパク質を「知る」「変える」「役立てる」 (2015)
  • 著者名/発表者名: 須藤雄気
  • 学会等名: 第55回 生物物理学会若手の会 夏の学校
  • 発表場所: 琵琶湖
  • 年月日: 2015-08-23
  • 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/index.html