微生物ロドプシンを用いた光による人工細胞への高速刺激入力法の開発

• 研究領域: 分子サイバネティクス ー化学の力によるミニマル人工脳の構築
• 研究課題/領域番号: 23H04404
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅳ)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 井上 圭一 東京大学, 物性研究所, 准教授 (90467001)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 採択後辞退 (2024年度)
• 配分額: 10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円); 2024年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2023年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
• キーワード: 微生物ロドプシン / オプトジェネティクス / 光刺激 / イオンチャネル / イオンポンプ

研究開始時の研究の概要

生物の細胞ではNa+やK+の流出入による神経興奮や、Ca2+シグナリング、H+濃度勾配によるATP合成など、根源的なイベントが多様なイオンの動態によって制御されている。しかし同様のシステムは、いまだ人工細胞など非生物的な系では実現されていない。そこで本研究では、光依存的に様々なイオンを輸送する微生物ロドプシンを人工リポソーム中に導入することで、人工細胞内のイオン組成を光で制御する技術を開発する。これにより、光によって人工細胞内に活動電位やシグナリング制御、エネルギー生産などの高度な機構を組み込む技術的基盤がもたらされ、特に当該研究領域においてはケミカルAIによる演算の高速化をもたらす刺激入力を可能とする。

研究実績の概要

本研究課題の目標である、人工細胞への自在なCa2+およびH+シグナルの自在入力法の開発のため、本年度は新奇なイオンチャネルおよびイオンポンプ型ロドプシンについて、物性評価と高機能性分子の探索を行った。その結果、既存のものとはイオン輸送特性や応答波長などが大きく異なる分子を多数発見した。特に植物などから容易に入手可能な、ルテインやゼアキサンチンなどの3-OH型のカロテノイドを光アンテナとして結合するH+ポンプ型ロドプシンである、Kin4B8が細菌から見出され（Chazan et al. Nature 2023）、さらに同じ様に3-OH型カロテノイドを結合することができるロドプシンを多数同定している。今後これらの分子を用いることで、従来のレチナールのみを発色団とするロドプシンと比べ、高感度なイオン動態の光制御が可能になると期待される。特に3-OH型カロテノイドを結合するロドプシンは420 nm周辺の紫色光に対して高い応答性を示し、これは既知のカロテノイド結合型の分子とは大きく異なるものである。これにより、これらの分子は多色光源を用いた蛍光タンパク質やチャネルロドプシンの同時イメージング・同時操作のための有用なツールとなる可能性を有すると考えられる。またイオンチャネル型のロドプシンについても検討を行い、膜局在やチャネル開閉速度などが従来のものと異なる分子を得ることができている。
さらに本年度はCa2+操作用ロドプシン開発のため、新たに蛍光顕微鏡を用いた、Fura-2色素によるCa2+イメージング系の構築を行った。これにより、今後より多くのロドプシンについてCa2+輸送能の評価が可能になると期待される。そしてすでに一部の巨大ウイルス由来のロドプシンについて評価を行い、小胞体などからのCa2+放出を光依存的に誘導することが可能であることを確認している。

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] イスラエル工科大学/エルサレム・ヘブライ大学(イスラエル)
• [国際共同研究] シエナ大学(イタリア)
• [国際共同研究] カリフォルニア大学バークレー校/スタンフォード大学/ボーリング・グリーン州立大学(米国)
• [国際共同研究] ストラスブール大学(フランス)
• [国際共同研究] オックスフォード大学(英国)
• [雑誌論文] Cis-Trans Reisomerization Preceding Reprotonation of the Retinal Chromophore Is Common to the Schizorhodopsin Family: A Simple and Rational Mechanism for Inward Proton Pumping (2024)
  • 著者名/発表者名: Taito Urui, Kouhei Hayashi, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 128 号: 3 ページ: 744-754
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c07510
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chromophore-Protein Interactions Affecting the Polyene Twist and π-π* Energy Gap of the Retinal Chromophore in Schizorhodopsins (2024)
  • 著者名/発表者名: Taito Urui, Tomomi Shionoya, Misao Mizuno, Keiichi Inoue, Hideki Kandori, Yasuhisa Mizutani
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 128 号: 10 ページ: 2389-2397
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c08465
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Light-Gated Cation Channel with High Reactivity to Weak Light (2023)
  • 著者名/発表者名: Shoko Hososhima, Shinji Ueno, Satoshi Okado, Ken-ichi Inoue, Masae Konno, Yumeka Yamauchi, Keiichi Inoue, Hiroko Terasaki, Hideki Kandori, Satoshi P. Tsunoda
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 7675-7675
  • DOI: 10.1038/s41598-023-34687-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of the Unique Chromophore-Protein Interactions on the Primary Photoreaction of Schizorhodopsin (2023)
  • 著者名/発表者名: Chun-Fu Chang, Masae Konno, Keiichi Inoue, Tahei Tahara
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 14 号: 31 ページ: 7083-7091
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c01133
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Light-Driven Anion Pump with Two Different Transport Modes (2023)
  • 著者名/発表者名: Manish Singh, Shota Ito, Shoko Hososhima, Rei Abe-Yoshizumi, Satoshi P. Tsunoda, Keiichi Inoue, Hideki Kandori
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 127 号: 32 ページ: 7123-7134
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c02116
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural Basis for Color Tuning and Ion Selectivity in Potassium-Selective Channelrhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Tajima, Y. S. Kim, M. Fukuda, Y.J. Jo, P. Y. Wang, J. M. Paggi, E. F.X. Byrne, K. E. Kishi, S. Nakamura, C. Ramakrishnan, S. Takaramoto, T. Nagata, M. Konno, M. Sugiura, K. Katayama, T. E. Matsui, K. Yamashita, S. Kim, H. Ikeda, M. Inoue, H. Kandori, R. O. Dror, K. Inoue, K. Deisseroth, H. E. Kato
  • 雑誌名: Cell 巻: 186 号: 20 ページ: 4325-4344.e26
  • DOI: 10.1016/j.cell.2023.08.009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photochemistry of the Retinal Chromophore in Microbial Rhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 127 号: 43 ページ: 9215-9222
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c05467
  • 査読あり
• [雑誌論文] Iron-limitation Light Switch (2023)
  • 著者名/発表者名: Oded Beja, Keiichi Inoue
  • 雑誌名: Nature Microbiology 巻: 8 号: 11 ページ: 1942-1943
  • DOI: 10.1038/s41564-023-01491-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multiple Roles of a Conserved Glutamate Residue for Unique Biophysical Properties in a New Group of Microbial Rhodopsins Homologous to TAT Rhodopsin (2023)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Mannen, Takashi Nagata, Andrey Rozenberg, Masae Konno, Maria del Carmen Marin, Reza Bagherzadeh, Oded Beja, Takayuki Uchihashi, Keiichi Inoue
  • 雑誌名: Journal of Molecular Biology 巻: 436 号: 5 ページ: 168331-168331
  • DOI: 10.1016/j.jmb.2023.168331
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Functional Characterization of Four Opsins and Two G Alpha Subtypes Co-Expressed in the Molluscan Rhabdomeric Photoreceptor (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryota Matsuo, Mitsumasa Koyanagi, Tomohiro Sugihara, Taishi Shirata, Takashi Nagata, Keiichi Inoue, Yuko Matsuo, Akihisa Terakita
  • 雑誌名: BMC Biology 巻: 21 号: 1 ページ: 291-291
  • DOI: 10.1186/s12915-023-01789-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 光を司る分子の技：レチナールの光化学がもたらすロドプシンタンパク質の多様な機能性 (2024)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 2023年度 化学生命工学講演会「化学生命の最前線１」
  • 招待講演
• [学会発表] 液滴形成における神経タンパク質α-synucleinとsynapsinの相互作用機構 (2024)
  • 著者名/発表者名: 宝本 俊輝、井上 圭一
  • 学会等名: 第13回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] Electrophysiological study of the effect of weak organic acids on the transport activity of proton pumping rhodopsin of rhizobacteria (2024)
  • 著者名/発表者名: Zikun Lyu、Shunki Takaramoto、Maria del Carmen Marin、Hiromu Yawo、Keiichi Inoue
  • 学会等名: 第13回日本生物物理学会関東支部会
• [学会発表] The Photochemistry of Retinal Chromophore and its Biological Role in New Rhodopsins (2024)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: Gordon Research Conference: Photosensory Receptors & Signal Transduction
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] レチナール光異性化酵素ロドプシンの吸収波長特性と可逆的光反応 (2024)
  • 著者名/発表者名: 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • 学会等名: 日本化学会第104春季年会
• [学会発表] The Rhodopsin Symphony from Nagoya (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: オプトバイオテクノロジー研究センター シンポジウム「光といのち」
  • 招待講演
• [学会発表] 高熱安定性光駆動型内向きH+ポンプロドプシン(MtSzR)の安定化メカニズムの研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 川﨑佑真、今野雅恵、井上圭一
  • 学会等名: 第49回生体分子科学討論会
• [学会発表] 微生物ロドプシンがもたらす光生物学の新地平 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 東京大学大学院理学研究科物理学専攻談話会
  • 招待講演
• [学会発表] Retinal Chromophore Twisting Regulates Channel Gating of Channelrhodopsin C1C2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Keisei Shibata、Kazumasa Oda、Tomohiro Nishizawa、Yuji Hazama、Ryohei Ono、Shunki Takaramoto、Reza Bagherzadeh、Hiromu Yawo、Osamu Nureki、Keiichi Inoue、Hidefumi Akiyama
  • 学会等名: Time Resolved Vibrational Spectroscopy 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 微生物ロドプシンを用いた光による人工細胞への高速刺激入力法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 学術変革領域研究（A) 「分子サイバネティクス」領域・第１回領域ミーティング
• [学会発表] レチナール光異性化酵素ロドプシンRGRの吸収分光特性と可逆的光反応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • 学会等名: 第23回日本蛋白質科学会年会
• [学会発表] 動物の光受容をささえる光受容タンパク質・ロドプシンの多様性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 永田 崇
  • 学会等名: 第34回生体機能関連化学部会若手の会 サマースクール
  • 招待講演
• [学会発表] The role of proton transfer in ion-transporting microbial rhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: Biophysical Society (BPS) Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ゲノム探索がもたらす微生物ロドプシン研究の新視点 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 第23回日本光生物学協会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 脊椎動物が持つレチナール光異性化酵素ロドプシンRGRの光吸収・反応特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • 学会等名: 第23回日本光生物学協会年会
• [学会発表] カチオンチャネルロドプシンChRmineのイオン輸送メカニズム (2023)
  • 著者名/発表者名: 宝本 俊輝、川﨑 佑真、柴田 桂成、岸 孝一郎、加藤 英明、井上 圭一
  • 学会等名: 第23回日本光生物学協会年会
• [学会発表] レチナール発色団のねじれとプロトン化によるチャネルロドプシンC1C2のチャネル開閉メカニズム (2023)
  • 著者名/発表者名: 柴田 桂成、小田 和正、西澤 知宏、挾間 優治、小野 稜平、寶本 俊輝、Reza Bagherzadeh、八尾 寛、濡木 理、井上 圭一、秋山 英文
  • 学会等名: 第23回日本光生物学協会年会
• [学会発表] Time-resolved Raman spectroscopic study of channelrhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: 8th Asian Spectroscopy Conference 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Twisting and Protonation of Retinal Chromophore Regulate Channel Gating of Channelrhodopsin C1C2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Keisei Shibata、Kazumasa Oda、Tomohiro Nishizawa、Yuji Hazama、Ryohei Ono、Shunki Takaramoto、Reza Bagherzadeh、Hiromu Yawo、Osamu Nureki、Keiichi Inoue、Hidefumi Akiyama
  • 学会等名: 8th Asian Spectroscpy Conference 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 脊椎動物が持つレチナール光異性化酵素ロドプシンRGRの吸収・光反応特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森本 直也、永田 崇、井上 圭一
  • 学会等名: 日本動物学会 第94回大会
• [学会発表] レチナール発色団のねじれとプロトン化によるチャネルロドプシンC1C2のチャネル開閉制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 柴田 桂成、小田 和正、西澤 知宏、挾間 優治、小野 稜平、寶本 俊輝、Reza Bagherzadeh、八尾 寛、濡木 理、井上 圭一、秋山 英文
  • 学会等名: 第17回分子科学討論会
• [学会発表] Photochemistry behind diverse functions of microbial rhodopsins (2023)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue
  • 学会等名: ICPAC Bali 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 光駆動型外向きプロトンポンプ型ロドプシンの内向きプロトンポンプへの機能転換 (2023)
  • 著者名/発表者名: Marin Perez Maria del Carmen、今野 雅恵、八尾 寛、井上 圭一
  • 学会等名: 第17回分子科学討論会
• [学会発表] 光ではたらくタンパク質、微生物ロドプシンの機能物性研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 東京大学物性研究所協議会
  • 招待講演
• [学会発表] ベストロドプシン：ユニークな光反応を示す新奇光駆動陰イオンチャネル (2023)
  • 著者名/発表者名: 今野 雅恵
  • 学会等名: 第61回 日本生物物理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 微生物ロドプシンを用いた光による人工細胞への高速刺激入力法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 学術変革領域研究（A) 「分子サイバネティクス」領域・第3回領域会議
• [学会発表] 高機能性タンパク質のデザインのための機械学習法の開発およびロドプシンの吸収波長制御への応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 圭一
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 脊椎動物が持つレチナール光異性化酵素ロドプシン・RGRの吸収波長の多様性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 永田 崇、森本 直也、李 春ヤン光、井上 圭一
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 新奇カチオンチャネルロドプシンHulaCCRの機能解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 宝本 俊輝、 Shai Fainsod、永田 崇、Andrey Rozenberg、 Oded Beja、井上 圭一
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 外向きH+ポンプ型ロドプシンから内向きH+ポンプへの機能転換による膜タンパク質のイオン輸送方向決定機構に関する研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: Maria Del Carmen Marin Perez、今野 雅恵、八尾 寛、井上 圭一
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第49回討論会
• [学会発表] Saccharibacteriaが持つ、宿主由来のall-transレチナールを利用する外向きプロトンポンプロドプシンの分子特性解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 今野 雅恵、Alexander L. Jaffe、川﨑 佑真、片岡 千尋、Oded Beja、神取 秀樹，Jillian F. Banfield、井上 圭一
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会第49回討論会
• [備考] 東京大学物性研究所・井上研究室
  • URL: https://inoue.issp.u-tokyo.ac.jp/index.html