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

基本信息

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

项目摘要

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。

在本研究主题中，我们将开发一种量子化学计算方法，用于控制视紫红质的吸收波长并进行新的分子建模，以实现光遗传学领域的长波长度吸收。此外，通过在设计的分子上反复进行实验性科学波长测量，并反馈结果以提高计算准确性，我们旨在建立完整的吸收波长控制技术，从而实现长波长吸收式若愿蛋白。今年，我们使用上一年构建的培养系统表达了古细紫红蛋白的野生型和突变体，并将其吸收波长的测量与理论计算进行了比较。结果表明，两种类型的视紫红蛋白（质子泵类型和传感器）之间约70纳米的吸收波长的差异是由视网膜发色团附近的氨基酸的差异产生的，约为3-4个残基。此外，在视网膜发色团附近突变的高度保守的脯氨酸残基会导致呈蓝淡有关的吸收波长（Inoue等人，Nat。Commun。2019），但发现这种差异的程度在Rhodopsin之间有所不同。该机制还通过量子化学计算揭示了该机理，以澄清原因是突变后氨基酸的侧链的方向由于视网膜附近的氨基酸的堆积速率而有所不同。这表明对氨基酸填充率的精确控制对于产生长波长吸收视紫红质是必需的。这些结果为这项研究的主要目的提供了新的见解，该研究对Rhodopsin的长波长，这已经在日本促进科学和其他国家促进的会议上介绍，目前正在准备论文。

项目成果

期刊论文数量（25）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

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

与真核生物起源相关的新型感光膜蛋白视紫红质的功能机制研究

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Shuichi Toyouchi,Po-Wei Yi,Wei-Hsiang Chiu,Roger Bresoli-Obach,Johan Hofkens,Eri Chatani,Teruki Sugiyama,Ryohei Yasukuni,Yoichiroh Hosokawa,Hiroshi Masuhara;Nishimura K;井上圭一
通讯作者：
井上圭一

Color Tuning of Microbial Rhodopsin Proteins: Combined Spectroscopic and QM/MM Modeling Studies

微生物视紫红质蛋白的颜色调节：结合光谱和 QM/MM 建模研究

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Maria del Carmen Marin Perez;Konno Masae;Laura Pedraza-Gonzalez;Luca De Vico;Massimo Olivucci;Keiichi Inoue
通讯作者：
Keiichi Inoue

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