Research Abstract


Atomistic design of microbial opsin-based blue-shifted optogenetics tools

2015年5月15日 Nature Communications 6 : 7177 doi: 10.1038/ncomms8177

発色団に結合した微生物オプシンは、光感受性イオン輸送体として機能し、ニューロン活動の光学的制御を目的として光遺伝学に用いられてきた。光遺伝学ツールの機能を向上させるために、分子工学を利用して色変異体が作られてきたが、タンパク質と発色団の相互作用が複雑であるため限界があった。今回我々は、原子分解能の理論的設計に基づいて、正確なハイブリッド分子シミュレーション、電気生理学的解析、X線結晶構造解析を通して、ブルーシフト色変異体を開発したことを報告する。分子シミュレーションモデルと結晶構造から、精密に設計された発色団の構造変化が組み合わせ変異によって誘発されることにより、静電的環境の同調とともにπ共役系の縮小が起こることによって、光感受性イオン輸送活性は維持されながらも、吸収スペクトルに最大で100 nmの大きなブルーシフトが生じることが明らかになった。我々が綿密に考案した設計原理は、他の微生物オプシンにも適用可能であり、最近天然源から単離された微生物オプシンの作用スペクトルがブルーシフトする分子機構を明らかにした。

Hideaki E. Kato, Motoshi Kamiya, Seiya Sugo, Jumpei Ito, Reiya Taniguchi, Ayaka Orito, Kunio Hirata, Ayumu Inutsuka, Akihiro Yamanaka, Andrés D. Maturana, Ryuichiro Ishitani, Yuki Sudo, Shigehiko Hayashi & Osamu Nureki

Corresponding Authors

林 重彦
京都大学大学院 理学研究科 化学専攻

濡木 理
東京大学大学院 理学系研究科 生物科学専攻

Microbial opsins with a bound chromophore function as photosensitive ion transporters and have been employed in optogenetics for the optical control of neuronal activity. Molecular engineering has been utilized to create colour variants for the functional augmentation of optogenetics tools, but was limited by the complexity of the protein–chromophore interactions. Here we report the development of blue-shifted colour variants by rational design at atomic resolution, achieved through accurate hybrid molecular simulations, electrophysiology and X-ray crystallography. The molecular simulation models and the crystal structure reveal the precisely designed conformational changes of the chromophore induced by combinatory mutations that shrink its π-conjugated system which, together with electrostatic tuning, produce large blue shifts of the absorption spectra by maximally 100 nm, while maintaining photosensitive ion transport activities. The design principle we elaborate is applicable to other microbial opsins, and clarifies the underlying molecular mechanism of the blue-shifted action spectra of microbial opsins recently isolated from natural sources.