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2021 年度 実績報告書

オプトジェネティクス時代における光応答性タンパク質の理論および実験モデリング

研究課題

研究課題/領域番号 20F40081
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)

研究分担者 MARIN PEREZ MARIA  東京大学, 物性研究所, 外国人特別研究員
研究期間 (年度) 2020-11-13 – 2022-03-31
キーワードロドプシン / 量子化学計算 / 分子動力学計算 / 吸収波長制御
研究実績の概要

本研究課題では、オプトジェネティクス(光遺伝学)分野で需要の高い、長波長吸収型の微生物ロドプシンの開発に向け、ロドプシンの吸収波長制御の量子化学計算手法の開発と、長波長吸収化を目指した新規分子モデリングを実施する。さらにデザインされた分子について実験科学的な波長測定を行い、それらの結果をフィードバックし計算精度の向上を図ることを繰り返すことで、完全な吸収波長制御技術の確立と、それによる長波長吸収型ロドプシンの実現を目指す。
今年度は、前年度に構築を行った培養系を用いて、古細菌型ロドプシンの野生型および変異体を発現させ、その吸収波長の測定と理論計算との比較を行った。その結果プロトンポンプ型とセンサー型の二種類のロドプシンの間の、約70ナノメートルの吸収波長の違いが3~4残基程度のレチナール発色団近傍のアミノ酸の違いによって生み出されていることを明らかにした。
またレチナール発色団近傍にある保存性の高いプロリン残基を変異すると、ロドプシンの吸収波長が長波長化するが(Inoue et al., Nat. Commun. 2019)、その度合いがロドプシンごとに異なることを見出した。そのメカニズムについても量子化学計算により、原因がレチナール近傍のアミノ酸の充填率の違いによって、変異後のアミノ酸の側鎖の向きが異なるためであることを明らかにした。これにより、長波長吸収型ロドプシンの作製には、アミノ酸の充填率を精密に制御することが必要であることが明らかとなった。
これらの結果は本研究の主たる目的であるロドプシンの長波長化に新たな知見を与えるものであり、その詳細については既に日本学術振興会などで学会発表を行い、また現在論文を作成中である。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 3件、 招待講演 9件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] シエナ大学(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      シエナ大学
  • [雑誌論文] Structural Characterization of Proton-pumping Rhodopsin Lacking a Cytoplasmic Proton Donor Residue by X-ray Crystallography2022

    • 著者名/発表者名
      Kano Suzuki, Maria del Carmen Marin, Masae Konno, Reza Bagherzadeh, Takeshi Murata, Keiichi Inoue
    • 雑誌名

      Journal of Biological Chemistry

      巻: 298 ページ: 101722

    • DOI

      10.1016/j.jbc.2022.101722

    • 査読あり
  • [学会発表] 光ではたらく膜タンパク質 ―ロドプシンの多彩な機能と光遺伝学―2022

    • 著者名/発表者名
      井上 圭一
    • 学会等名
      第6回CURIEセミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] 光駆動タンパク質ロドプシンのもたらす生物と光の新たな関係2021

    • 著者名/発表者名
      井上 圭一
    • 学会等名
      バイオインダストリー協会"・未来へのバイオ技術" 勉強会「光と音の遺伝子応答とオプトジェネティクス」
    • 招待講演
  • [学会発表] ロドプシンの色を変える:構造・理論・機械学習的アプローチ2021

    • 著者名/発表者名
      井上 圭一
    • 学会等名
      電気学会 光・量子デバイス研究会「革新的材料の創出とデバイス応用」
    • 招待講演
  • [学会発表] 光エネルギーを使って内向きにプロトンを輸送するロドプシンの構造とダイナミクス2021

    • 著者名/発表者名
      井上 圭一
    • 学会等名
      第21回日本蛋白質科学会年会・ワークショップ「高速分子動画:タンパク質の構造機能相関研究の最先端」
    • 招待講演
  • [学会発表] アスガルドアーキアは光をつかう?―ロドプシンを用いた光受容と新奇シゾロドプシンファミリ―2021

    • 著者名/発表者名
      井上 圭一
    • 学会等名
      極限環境生物学会・第22回シンポジウム「微生物ダークマターへの挑戦」
    • 招待講演
  • [学会発表] 自然界の光分子ツールボックス―微生物ロドプシンの科学を理解する―2021

    • 著者名/発表者名
      井上 圭一
    • 学会等名
      第19回 “光”機到来!Qコロキウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 真核生物の起源に関わる新奇光受容型膜タンパク質ロドプシンの機能メカニズム研究2021

    • 著者名/発表者名
      井上 圭一
    • 学会等名
      山田科学振興財団・2021年度研究交歓会
    • 招待講演
  • [学会発表] DTGロドプシンのX線結晶構造解析2021

    • 著者名/発表者名
      井上圭一、鈴木花野、今野雅恵、Reza Bagherzadeh、Andrey Rozenberg、Maria del Carmen Marin Perez、Oded Beja、村田武士
    • 学会等名
      第59回生物物理学会年会
  • [学会発表] Color Tuning of Microbial Rhodopsin Proteins: Combined Spectroscopic and QM/MM Modeling Studies2021

    • 著者名/発表者名
      Maria del Carmen Marin Perez、Konno Masae、Laura Pedraza-Gonzalez、Luca De Vico、Massimo Olivucci、Keiichi Inoue
    • 学会等名
      第59回生物物理学会年会
  • [学会発表] Color Tuning of Microbial Rhodopsin Proteins: Combained Spectroscopic and QM/MM Modeling Studies2021

    • 著者名/発表者名
      Maria del Carmen Marin Perez、今野雅恵、Laura Pedraza-Gonzalez、Luca De Vico、Massimo Olivucci、井上圭一
    • 学会等名
      第44回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] The diversity and the molecular mechanism of light-driven inward proton pump rhodopsins2021

    • 著者名/発表者名
      Keiichi Inoue
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pachific Basin Societies (Pacifichem) 2021
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Red-shifting mutation of light-driven sodium-pump rhodopsin2021

    • 著者名/発表者名
      Keiichi Inoue、Maria del Carmen Marin Perez、Sahoko Tomida、Ryoko Nakamura、Yuta Nakajima、Massimo Olivucci、Hideki Kandori
    • 学会等名
      The International Chemical Congress of Pachific Basin Societies (Pacifichem) 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Detection of Functional Processes of Photoreceptive Proteins by Muon2021

    • 著者名/発表者名
      Keiichi Inoue, Tamiko Kiyotani, Ichiro Tanaka
    • 学会等名
      ISIS Muon Illumination Workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] Optogenetics - Light-Sensing Proteins and Their Applications in Neuroscience and Beyond2021

    • 著者名/発表者名
      Keiichi Inoue
    • 総ページ数
      37
    • 出版者
      Springer Nature
    • ISBN
      978-981-15-8763-4
  • [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

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公開日: 2022-12-28  

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