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ロドプシンを起動分子とした「化学・力学・光」エネルギー発動機構の理解と利用

公募研究

研究領域発動分子科学:エネルギー変換が拓く自律的機能の設計
研究課題/領域番号 19H05396
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 複合領域
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) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2020年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2019年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
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 / 受容体
研究開始時の研究の概要

光受容タンパク質であるロドプシンは発色団レチナールにより光エネルギーを吸収し、その後、レチナールの異性化を引き起こすことで、化学エネルギーを生み出す。生成した化学エネルギーはタンパク質の構造変化として力学エネルギーに変換され、生物学的機能が生まれる。また、ロドプシンは光エネルギー変換体としても注目されている。本研究では、このような『光-->化学・力学・光』エネルギー変換機構の精密・詳細な解析を行う。加えて、得られた知見を基盤に、ロドプシンを用いた生体光操作ツールの開発・利用を行う。これにより、ロドプシン型『発動分子』の基礎学理構築を行う。

研究実績の概要

ロドプシンは光エネルギーを吸収し、レチナールの異性化を介して化学エネルギーへと変換する。化学エネルギーは、タンパク質の構造変化として力学エネルギーに変換され、分子機能が発現する。また、ロドプシンは、蛍光を発する特性を有し、光エネルギーにも変換可能である。このように、本領域における『発動分子』の定義(外部エネルギーを別エネルギーへ変えるもの)から、ロドプシンはまさに“発動分子”そのものと言える。このような背景のもと、本研究では、ロドプシンによる『光-->化学・力学・光』エネルギーへの変換機構の理解と光遺伝学的利用を行うことで、ロドプシン型『発動分子』の基礎学理構築を行うことを目的とした。

本年度は、以下に示す多様なロドプシンのマルチ『光-->化学・力学・光』発動機構(エネルギー変換)の理解を進めた。さらに、これらを基盤に、分子機能(速度,収率,構造変化,生理応答,発光)の合理的改変の試みと光遺伝学への展開を行った。
1)『光-->化学』:多様なロドプシンに対し、“時間”分解測定(過渡吸収,ラマン・赤外)及び“空間”分解測定(ラマン・赤外,X線結晶構造,NMR)を行い異性化速度,量子収率,異性化に伴うレチナール及びタンパク質の構造変化を調べた。得られた定量的な数値とその比較から、『光-->化学』エネルギー変換の理解を進めた。
(2)『光-->(化学)-->力学』:レチナールの異性化を引き金するロドプシンの構造変化,他分子との相互作用とその変化を、時空間分解測定により明らかにした。加えて、生化学的・細胞生物学的解析を行い、構造と機能に関わる『化学-->力学』エネルギー変換機構の理解を進めた。
(3)『光-->光』:定常蛍光分光法と各種時間分解分光法を組み合わせ、多様なロドプシンの蛍光特性の定量的比較解析と発光機構の解明を行い、『光-->光』エネルギー変換の理解を進めた。

現在までの達成度 (段落)

令和2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

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (31件)

すべて 2021 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (20件) (うち国際共著 3件、 査読あり 20件、 オープンアクセス 11件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件、 招待講演 6件) 備考 (1件) 産業財産権 (2件)

  • [国際共同研究] モンテレーベイ水族館(米国)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] ワイズマン研究所(イスラエル)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] Further thermo‐stabilization of thermophilic rhodopsin from Thermus thermophilus JL ‐18 through engineering in extramembrane regions2021

    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 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 mutants2021

    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lokiarchaeota archaeon schizorhodopsin-2 (LaSzR2) is an inward proton pump displaying a characteristic feature of acid-induced spectral blue-shift2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Comparative Studies of the Fluorescence Properties of Microbial Rhodopsins: Spontaneous Emission Versus Photointermediate Fluorescence2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Green-Sensitive, Long-Lived, Step-Functional Anion Channelrhodopsin-2 Variant as a High-Potential Neural Silencing Tool2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 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 lineage2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 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 formation2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Bacterium Lacking a Known Gene for Retinal Biosynthesis Constructs Functional Rhodopsins2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 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
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 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 Rhodopsin2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] The Unlimited Potential of Microbial Rhodopsins as Optical Tools2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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 Retained2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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-48C122019

    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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 illumination2019

    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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 predators2019

    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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 mice2019

    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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 Rhodopsin2019

    • 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

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [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
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 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
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] A bottom-up approach to Utilizing Microbial Rhodopsins for Optogenetics2019

    • 著者名/発表者名
      Yuki Sudo
    • 学会等名
      2019 ESP-IUPB World Congress
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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」
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Promoting Optogenetics by Microbial Rhodopsins2019

    • 著者名/発表者名
      須藤雄気
    • 学会等名
      第11回・光操作研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 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/

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書 2019 実績報告書
  • [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
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [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
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

URL: 

公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-12-27  

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