光駆動ナトリウムポンプの分子メカニズムの解明

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15J06631
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 研究代表者: 加藤 善隆 名古屋工業大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2017-03-31
• キーワード: 光化学 / ナトリウム / プロトン / ポンプ / 分光

研究実績の概要

光駆動ナトリウムポンプKR2は、ナトリウムを細胞質側から細胞外側へと一方向に輸送する。これまでの研究で、KR2は細胞外側にナトリウム結合サイトを持つことがわかっていたが、その役割についてははっきりと分かっていなかった。私達はアムステルダム自由大学（オランダ）・John T. M. Kennis教授のグループと共同で、フェムト－サブミリ秒誘導ラマン分光法を用いて光反応ダイナミクスを調べることで、ナトリウム結合サイトに関する新たな知見を得ることに成功した。細胞外側にナトリウムが結合していない状態では、ピコ－マイクロ秒領域に観測されるK/LおよびL/M中間体の平衡がL中間体側に偏ることが明らかにり、一方で、輸送するイオンの種類はこの時間領域の光反応ダイナミクスに影響を与えないことが明らかになった。本研究成果はPhysical Chemistry Chemical Physicsに掲載されている（第4著者）。
また、新たなイオンポンプ「光駆動内向きプロトンポンプ」について報告した。これまでに見つかっていた外向きプロトンポンプとの比較により、イオン輸送の方向性について研究を行なっている。我々は、海洋性細菌Parvularcula oceaniの遺伝子上から発見された3つの新たなロドプシンに対して、発現確認と機能測定を行ない、その内の1つが光駆動内向きプロトンポンプの機能をもつことを明らかにした。さらに、この光駆動内向きプロトンポンプPoXeRに対して各種分光測定を行ない、その性質と機能メカニズムの一端を明らかにした。成果はNature Communicationsに掲載されている（第3著者）。イオン輸送の方向性制御機構の解明は、光駆動ポンプの研究における重要な課題の一つである。今後、ナトリウムポンプのメカニズム研究・機能改変への波及が期待される。

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] VU University Amsterdam(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: VU University Amsterdam
• [国際共同研究] Universita di Siena(Italy)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: Universita di Siena
• [国際共同研究] Bowling Green State University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Bowling Green State University
• [雑誌論文] A natural light-driven inward proton pump (2016)
  • 著者名/発表者名: Keiichi Inoue, Shota Ito, Yoshitaka Kato, Yurika Nomura, Mikihiro Shibata, Takayuki Uchihashi, Satoshi P. Tsunoda, Hideki Kandor
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 7 ページ: 13415
  • DOI: 10.1038/ncomms13415
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Toward Automatic Rhodopsin Modeling as a Tool for High-Throughput Computational Photobiology (2016)
  • 著者名/発表者名: Federico Melaccio, Maria del Carmen Marin, Alessio Valentini, Fabio Montisci, Silvia Rinaldi, Marco Cherubini, Xuchun Yang, Yoshitaka Kato, Michael Stenrup, Yoelvis Orozco-Gonzalez, Nicolas Ferre, Hoi Ling Luk, Hideki Kandori, Massimo Olivucci
  • 雑誌名: J. Chem. Theory Comput. 巻: 12 ページ: 6020-6034
  • DOI: 10.1021/acs.jctc.6b00367
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The photochemistry of sodium ion pump rhodopsin observed by watermarked femto- to submillisecond stimulated Raman spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Yusaku Hontani, Keiichi Inoue, Miroslav Kloz, Yoshitaka Kato, Hideki Kandori, John T. M. Kennis
  • 雑誌名: Phys. Chem. Chem. Phys. 巻: 18 ページ: 24729-24736
  • DOI: 10.1039/c6cp05240a
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 光駆動内向きプロトンポンプにおける輸送ダイナミクスの研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤善隆、井上圭一、神取秀樹
  • 学会等名: 日本生体エネルギー研究会 第42回討論会
  • 発表場所: 名古屋
  • 年月日: 2016-12-19 – 2016-12-21
• [学会発表] Microbial rhodopsins with unique photoreaction (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshitaka Kato, Keiichi Inoue, Shota Ito, Satoshi Tsunoda, Yurika Nomura, Hideki Kandori
  • 学会等名: The 54th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan
  • 発表場所: Tsukuba, Japan
  • 年月日: 2016-11-25 – 2016-11-27
  • 国際学会