2021 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of ion-pumping rhodopsins with a high-time resolution
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18K06109
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
角田 聡 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 研究員 (00598857)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ロドプシン / 電気生理学 / 光遺伝学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光駆動型イオンポンプであるロドプシン分子によるイオン輸送を、今までにないマイクロ秒オーダーの時間分解で測定した。過去のイオンポンプ活性測定では時間分解能がサブ秒～分オーダーであり、かつ膜電位、イオン濃度勾配などの電気化学ポテンシャル差の正確な制御が困難であった。本研究では電気生理学的手法にナノ秒フラッシュレーザーを組み合わせた。これにより、マイクロ秒オーダーの高い時間分解能により、かつ電気化学ポテンシャル差を正確に制御し、ロドプシンの光反応を１回のみ誘起した際のイオン輸送を測定した。そして輸送速度、輸送量を定量的に解析することで、光反応サイクルにおけるエネルギー変換メカニズムの理解を目指した。
昨年度、ナトリウムポンプロドプシンKR2のシングルターンオーバーあたりの輸送測定を行ったが、その結果をもとにイオンポンプとしてのポンプの駆動力を見積り、さらに速度論的解析を試みた。ナトリウムイオン輸送の速度定数はナノ秒フラッシュレーザー光照射と定常光照射とでは10倍程度異なり、前者の方が速い反応をとらえていた。本研究により、KR2のナトリウム輸送反応サイクルには、2種の経路が存在することが示唆された。この成果は本年度PlosOne誌に発表した。
昨年度以降、より系統的なイオンポンプ輸送の理解を目指し、外向きプロトンポンプ6種と内向きプロトンポンプ3種の電気生理学によるイオン輸送測定を試みた。各分子には輸送活性のpH 依存性、膜電位依存性等に顕著な差が存在した。このことから、同じ外向きプロトンポンプであったとしてもその輸送機構は異なり、タンパク質内部のプロトン移動の様式には多様性があることが示唆された。さらに各ロドプシン分子のアミノ酸配列比較から、pH依存性に寄与しうるアミノ酸残基を予測し、変異体の活性計測から重要重要アミノ酸を同定した。
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