ロドプシンによる葉緑体プロトン勾配制御システムの確立と植物応答解析への展開

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 新光合成：光エネルギー変換システムの再最適化
• 研究課題/領域番号: 19H04727
• 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
• 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

研究実績の概要

植物による光合成は、水と二酸化炭素から炭素固定・酸素発生・ATP産生を行う反応であある。ここで、生物のエネルギー通貨とも呼ばれるATPは、光合成タンパ
ク質における細胞内から細胞外にプロトン（H+）の輸送により実現している。また、植物には光強度にあわせて余剰なエネルギーを熱として放出する機構（NonPhotochemical Quenching：NPQ）が備わっており、効率的な光合成を実現している。これらは光合成に伴う葉緑体ルーメン側の酸性化（プロトン濃度上昇）が引き金になることがわかっているが、その制御機構の詳細は不明である。本研究では、光合成色素クロロフィルがほとんど吸収しない緑色光で働くロドプシンを緑藻（クラミドモナス）および陸上植物（シロイヌナズナ）の葉緑体に異種発現させる組み換え体を創出する。次に、ロドプシンを光により励起し、人為的に膜を介したプロトン移動を誘起する。これにより、擬似的に強・弱光条件を作り出し、その際に起こる植物応答（ATP合成、NPQ制御、成長、形態、その他）を光で制御し、それらのメカニズムの解明を目指す。

本年度は、以下の生化学的・細胞生物学的解析を行った。
①生化学的解析：クラミドモナスおよびシロイヌナズナにおけるロドプシンの発現。加えて、葉緑体への局在の確認。クラミドモナスおよびシロイヌナズナともに、ロドプシンの葉緑体への発現と局在を確認した。
②細胞生物学的解析：NPQをはじめとした応答解析を進めた。（１）クラミドモナスについては、NPQ誘導の確認に加え、細胞形態や生育などへのロドプシンおよび光の影響を検討し、ロドプシンによる成長促進を確認した。（２）シロイヌナズナについては、上記に加えレチナールの添加法の検討と、レチナールが及ぼす細胞毒性について検討した。

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。

研究成果

• [雑誌論文] Mechanism of absorption wavelength shifts in anion channelrhodopsin-1 mutants (2021)
  • 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 ページ: 148349～148349
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148349
  • 査読あり
• [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
• [雑誌論文] Further thermo‐stabilization of thermophilic rhodopsin from Thermus thermophilus JL ‐18 through engineering in extramembrane regions (2020)
  • 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 ページ: 301～310
  • DOI: 10.1002/prot.26015
  • 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-shift (2020)
  • 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 ページ: 20857
  • DOI: 10.1038/s41598-020-77936-9
  • 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: Ueta Tetsuya、Kojima Keiichi、Hino Tomoya、Shibata Mikihiro、Nagano Shingo、Sudo Yuki
  • 雑誌名: Biophysical Journal 巻: 119 ページ: 1760～1770
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2020.09.026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparative Studies of the Fluorescence Properties of Microbial Rhodopsins: Spontaneous Emission Versus Photointermediate Fluorescence (2020)
  • 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 ページ: 7361～7367
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c06560
  • 査読あり
• [雑誌論文] Green-Sensitive, Long-Lived, Step-Functional Anion Channelrhodopsin-2 Variant as a High-Potential Neural Silencing Tool (2020)
  • 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 ページ: 6214～6218
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c01406
  • 査読あり
• [雑誌論文] A unique clade of light-driven proton-pumping rhodopsins evolved in the cyanobacterial lineage (2020)
  • 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 ページ: 16752
  • DOI: 10.1038/s41598-020-73606-y
  • 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 formation (2020)
  • 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 ページ: 593～601
  • DOI: 10.1111/1348-0421.12829
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bacterium Lacking a Known Gene for Retinal Biosynthesis Constructs Functional Rhodopsins (2020)
  • 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 ページ: ME20085
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME20085
  • 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 ページ: 209～214
  • DOI: 10.2142/biophys.60.209
• [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
  • 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/
• [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: 特願2020-196718
• [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: 特願2020-70136