理研ら,膜タンパク質の光イオン輸送の仕組み解明

著者: sugi

理化学研究所(理研),兵庫県立大学,高輝度光科学研究センター,東京大学は,太陽光などの光を受けて塩化物イオン(Cl)を細胞内に輸送する海洋細菌由来の「光駆動型イオンポンプロドプシン」の構造変化を,X線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」を用いた高解像度の構造解析により解明した(ニュースリリース)。

近年開発されたX線結晶構造解析法の一種である「時分割結晶構造解析法」では,タンパク質の微細な動きを高い時間分解能で観察できる。

この手法により,現在までに,陽イオンを細胞外に排出する機能を持つ光駆動型イオンポンプロドプシンについて,光照射に伴う詳細な構造変化が明らかにされている。一方,陰イオンを細胞内に取り込むものについての時分割結晶構造解析はまだ行なわれていなかった。

微生物型ロドプシン「NM-R3」は,光を受容すると陰イオンである塩化物イオンを一つだけ細胞外から細胞内に輸送する。さらに,同じ陰イオンである臭化物イオン(Br)やヨウ化物イオン(I)も同様に取り込むことができる。研究では,塩化物イオンを輸送する光駆動型イオンポンプロドプシンの構造変化を明らかにするため,NM-R3を対象に時分割結晶構造解析を行なった。

まず,NM-R3を合成し,塩化物イオンの代わりに臭化物イオンやヨウ化物イオンを含む溶液を用いて精製した微結晶に光を照射したところ光の吸収率が変化し,結晶中でもNM-R3の構造変化を伴うイオン輸送機構が働くことが分かった。

次に,X線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」を用いて時分割結晶構造解析を行なうため,臭化物イオンを入れて精製したNM-R3の微結晶に540nmの緑色レーザー光を照射し,1ms後のデータを収集したところ,細胞質側にイオンの通る空間が形成され,同時に細胞外側ではイオンの逆流や過流入を防ぐような構造変化を観測した。

続いて,ヨウ化物イオンを用いたNM-R3の微結晶で,同様に時分割結晶構造解析を行なった。ヨウ化物イオンは異常分散効果により,その位置を臭化物イオンよりも同定しやすい。この性質を利用し,光照射後10μsと,1msにおける輸送されたヨウ化物イオンの位置の同定を試みた。

解析の結果,10μs後にヨウ化物イオンは細胞質側に移動し,1ms後には既に排出されていることや,ヨウ化物イオン排出口に近い細胞質側周辺に,ヨウ化物イオンが輸送される経路が存在することが示唆された。

微生物型ロドプシンは,新しい機能を持つものが現在も次々に見つかっており,一部は神経科学研究における光遺伝学のツールとして応用されている。研究グループは今回の成果が,光遺伝学ツールの改良につながるとしている。

キーワード:

関連記事

  • 慶応大、光の刺激でホヤの変態を人工的に誘導

    慶應義塾大学の研究グループは、光遺伝学(オプトジェネティクス)の手法を用いて、ホヤの感覚神経細胞に約6分間の光刺激を与えることで変態を人工的に誘導できることを実証した(ニュースリリース)。 脊索動物門に属するホヤの幼生は…

    2025.12.04
  • 理研,3次元細胞骨格の形成を光で自在に操作

    理化学研究所は,細胞骨格を構成するアクチン分子を素材とした3次元構造を自在につくることができる3Dプリンターともいえる新技術を開発した(ニュースリリース)。 動物細胞の形態は,アクチン分子が繊維化してできた網目状のネット…

    2025.09.03
  • 東大,独特な光反応特性を生み出すアミノ酸を特定

    東京大学の研究グループは,光に応答するタンパク質・ロドプシンの構造を改変することで,ユニークな光反応特性を生み出すアミノ酸の組み合わせを特定することに成功した(ニュースリリース)。 ロドプシンは動物の視覚を担うタンパク質…

    2025.06.25
  • 東大ら,藍色光を吸収するチャネルロドプシンを解析

    東京大学と名古屋工業大学は,2量体チャネルロドプシン(ChR)KnChRの立体構造を,クライオ電子顕微鏡(cryo-EM)を用いた単粒子解析で決定した(ニュースリリース)。 KnChRは2021年に研究グループにより初め…

    2025.06.24
  • 豊技大ら,マイクロLEDと神経電極の一体化プローブ作製

    豊技大ら,マイクロLEDと神経電極の一体化プローブ作製

    豊橋技術科学大学と東北大学は,生体組織深部において高精度に神経活動を制御し,多点で神経活動を同時記録することを可能とするマイクロLEDと,神経電極を一体化したハイブリッドプローブを開発した(ニュースリリース)。 現在,光…

    2025.02.12
  • 東邦大,光遺伝学で周波数選択的な細胞応答に知見

    東邦大学の研究グループは,生命現象を光で操作するオプトジェネティクス(光遺伝学)技術を駆使して,細胞内で周期的に発生する化学信号の周波数が,転写因子を介した遺伝子発現制御やその後の細胞運命決定プロセスをどのように制御する…

    2025.01.16
  • 九州大,UC粒子による神経細胞の光操作に成功

    九州大学,東京医科歯科大学,神奈川県立産業技術総合研究所は,生体透過性が高い赤色・近赤外光を生体内で青色光に変換可能なフォトン・アップコンバージョン(UC)ナノ粒子を開発し,生体内で神経細胞を光操作することに成功した(ニ…

    2024.09.30
  • 阪大ら,高強度レーザーで固体のプラズマ遷移を観測

    大阪大学,米ネバダ大学,高輝度光科学研究センター,理化学研究所,米SLAC国立加速器研究所,加アルバータ大学,米ローレンス・リバモア国立研究所,米ロチェスター大学は,X線自由電子レーザー施設SACLAによる高速イメージン…

    2024.09.06

新着ニュース

人気記事

新着記事

  • オプトキャリア