Visualizing protein motions using molecular photoswitching

使用分子光开关可视化蛋白质运动

基本信息

批准号：
20H02695
负责人：
水野操
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Kyoto University (2023)Osaka University (2020-2022)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

タンパク質の機能は、外部刺激による構造変化により生み出される。タンパク質機能を生み出す過渡的な分子運動の観測には、反応のタイミングが同期した分子アンサンブルのスペクトルを計測し、時間的精度が高い良質なスペクトルを得る必要である。これに対して、光による反応タイミングの制御がきわめて有効である。実際に、光受容タンパク質では光が外部刺激として構造変化を誘発するため、反応中間体の構造研究が多く行われている。一方、多くのタンパク質では、機能発現スイッチに光が利用されることはなく、時間的精度が高いダイナミクス観測が困難であった。本研究では、機能発現スイッチとして光反応により分子長や電荷分布が変化する小分子をタンパク質に導入し、反応タイミングの同期を行う（分子光スイッチング）。光によって誘起したタンパク質構造変化のダイナミクスを、芳香族アミノ酸残基および主鎖に由来するラマンバンドをプローブとして、時間分解紫外共鳴ラマン分光法により観測する。これにより、原子レベルの空間スケールかつピコ秒からサブ秒までの幅広い時間スケールで、機能発現に関わる構造ダイナミクスを観測する手法を確立する。本年度は、新たに幅広い波長チューニングが可能なパルスレーザーを導入し、タンパク質ダイナミクス観測のさらなる高感度化を実現した。一方、試料調製方法について、昨年度から引き続き検討しているが、まだ実施には至っていない。外部機関の研究者との研究協力をあおぐ必要がある。

蛋白质的功能是由外部刺激引起的结构变化产生的。为了观察产生蛋白质功能的瞬时分子运动，有必要用同步反应时机测量分子集合的光谱，并以高时间准确性获得高质量的光谱。相反，用光控制反应时机非常有效。实际上，在感光蛋白中，光是诱导结构变化的外部刺激，并且已经对反应中间体进行了许多结构研究。另一方面，在许多蛋白质中，光不用于功能表达开关，因此很难以高时间精度观察动态。在这项研究中，将由于光反应引起的分子长度和电荷分布变化引入蛋白质作为功能表达转换并同步反应时机（分子光学切换）。使用芳族氨基酸残基和拉曼带作为探针的芳族氨基酸残基和拉曼频带，可以观察到光诱导的蛋白质结构变化的动力学。这建立了一种观察与功能表达相关的结构动力学的方法，该方法在原子水平上在空间尺度上和从picseconds到亚世代的宽时尺度上进行了广泛的时间尺度。今年，我们引入了一种新的脉冲激光器，可以针对各种波长进行调整，从而提高了对蛋白质动力学观测的更高灵敏度。另一方面，尽管自去年以来一直在考虑样本准备方法，但尚未实施。有必要鼓励与外部机构的研究人员进行研究合作。