Theoretical and Experimental Modeling of Light-responsive Proteins in the Era of Optogenetics

光遗传学时代光响应蛋白的理论与实验建模

• 批准号: 20F40081
• 负责人: 井上 圭一
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-11-13 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20F40081/
• 关键词: ロドプシン; 量子化学計算; 分子動力学計算; 吸収波長制御

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。

This research topic で は, オ プ ト ジ ェ ネ テ ィ ク ス (light but 伝 learn) eset で need high の い, long wavelength absorption type 収 の microbial ロ ド プ シ ン の open 発 に け, ロ ド プ シ ン の 収 absorption wavelength suppression の quantum chemistry calculation methods の open 発 と, long wavelength 収 absorption を refers し た new rules molecular モ デ リ ン グ を be applied す る. さ ら に デ ザ イ ン さ れ た molecular に つ い て be 験 な wavelength measurement science を い, そ れ ら の results を フ ィ ー ド バ ッ ク し calculation accuracy の upward を 図 る こ と を Qiao り return す こ と で, completely な 収 absorption wavelength suppression technology の establishing と, そ れ に よ る long wavelength absorption type 収 ロ ド プ シ ン の be presently を refers す. Our は ", before the annual に build を っ を た training department with い て type, the archaea ロ ド プ シ ン の wild-type お よ び - variant を 発 now さ せ, そ の 収 absorption wavelength の determination と theoretical calculation と の line more を っ た. そ の results プ ロ ト ン ポ ン プ type と セ ン サ の ー type two kinds の ロ ド プ シ ン の の, between about 70 ナ ノ メ ー ト ル の 収 absorption wavelength の violations い が 3 ~ 4 residue level の レ チ ナ ー ル 発 color 団 nearly alongside の ア ミ ノ acid の violations い に よ っ て raw み out さ れ て い る こ と を Ming ら か に し た. ま た レ チ ナ ー ル 発 color 団 nearly alongside に あ る save の high い プ ロ リ ン residues を - different す る と, ロ ド プ シ ン の 収 absorption wavelength が long wavelength change す る が Inoue et al., Nat. Commun. (2019), そ の degrees or い が ロ ド プ シ ン ご と に different な る こ と を shows し た. そ の メ カ ニ ズ ム に つ い て も quantum chemical calculation に よ り, cause が レ チ ナ ー ル nearly alongside の ア ミ ノ acid の filling rate の violations い に よ っ て, - different after の ア ミ の ノ acid side chain の to き が different な る た め で あ る こ と を Ming ら か に し た. こ れ に よ り type, long wavelength 収 ロ ド プ シ ン の cropping に は, ア ミ の filling rate を precision に ノ acid suppression す る こ と が necessary で あ る こ と が Ming ら か と な っ た. こ れ ら は の results of this study の main た る purpose で あ る ロ ド プ シ ン の long wavelength change new た に な knowledge を and え る も の で あ り, そ の detailed に つ い て は に Japan both external academic organization な ど で learn 発 table を い, ま た で in を to finish the paper now あ る.

项目成果

光駆動型内向きプロトンポンプ、シゾロドプシンのプロトン輸送メカニズム

光驱动内向质子泵裂视紫红质的质子传输机制

• 发表时间: 2020
• 作者: 井上 圭一;志甫谷 渉;今野 雅恵;樋口 晶光;但馬 聖也;古谷 祐詞;川﨑 佑真;永田 崇;八尾 寛;川村 出;神取 秀樹;濡木 理
• 通讯作者: 濡木 理

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

视紫红质的结构和动力学，利用光能向内传输质子

• 发表时间: 2021
• 作者: Shikaya Yuuki;Takase Yuta;Tadokoro Ryosuke;Nakamura Ryo;Inaba Masafumi;Takahashi Yoshiko;井上 圭一
• 通讯作者: 井上 圭一

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

改变视紫红质的颜色：结构、理论和机器学习方法

• 发表时间: 2021
• 作者: 井上 圭一

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―

阿斯加德古菌需要光吗？

• 发表时间: 2021
• 作者: Davis W;Endo M;Locke JCW.;井上 圭一
• 通讯作者: 井上 圭一

Optogenetics, Light-Sensing Proteins and Their Applications in Neuroscience and Beyond

光遗传学、光敏蛋白及其在神经科学及其他领域的应用

• 发表时间: 2021
• 作者: Makoto Osanai;Hideki Miwa;Atsushi Tamura;Satomi Kikuta;Yoshio Iguchi;Yuchio Yanagawa et al.
• 通讯作者: Yuchio Yanagawa et al.