研究内容

物性研究所で制作された当研究室の紹介動画です。研究室の雰囲気を知りたい方はこちらをご覧下さい。

より詳しい研究の内容を知りたい方は、以下の“光”機到来！Qコロキウムでの井上の講演動画をご覧下さい。

研究テーマ１：微生物型ロドプシンの多様性と分子メカニズム

微生物型ロドプシンは細菌や古細菌、真核微生物（真核藻類・原生動物・カビなど）のほか巨大ウイルスが持つ、光受容型の膜タンパク質です。そして微生物型ロドプシンは、私たちが持つ動物型のロドプシンと同じくレチナールを発色団として持ちながら、その機能は大きく異なっています。中でも海洋を中心として最も幅広く存在するのが光のエネルギーを使って、細胞内から細胞外側へ水素イオンを輸送する、外向きプロトンポンプ型ロドプシンですが、近年のゲノム解析の進展により、極めて多様な機能を持つ微生物型ロドプシンが続々と報告されています。それらには内向き塩素イオンポンプ、内向きプロトンポンプ、外向きナトリウムポンプや、走光性センサー、カチオンやアニオンを受動輸送する光開閉式のチャネル、光依存的な遺伝子発現制御や酵素などがあり、私たちは世界中の生き物から新奇な機能を持つロドプシンの探索を行っています。またその一方で分光学的な分子のダイナミクス・構造解析と分子生物学的、情報学的アプローチを総合的に組み合わせることで、これらの微生物型ロドプシンがレチナールが結合した７回膜貫通型の共通の構造基盤からどの様にして多様な光機能を生み出すのか、その分子メカニズムの解明を目指して研究を行っています。

研究テーマ２：動物型ロドプシン研究

環境の様々な情報を受け取るために、動物は視覚をはじめとする多様な光受容システムを進化させてきました。その多くで動物型ロドプシンが光センサーとして働いています。視覚を例にとると、眼の中に入ってきた光は視細胞に存在する視覚ロドプシンに吸収されます。これによってロドプシンの構造が活性化状態に変化し、細胞内の情報伝達を担うタンパク質を活性化することで視細胞の電気的変化（神経情報）が生じます。このような視覚で働くロドプシンの他に、近年の遺伝子解析技術の向上によって様々な動物から数多くのロドプシン遺伝子が同定されてきました。その多くは、活性化状態の安定性や細胞内のどのタンパク質と相互作用するかといった点などで、視覚ロドプシンと大きく異なる性質を示します。最近では、私たちを含む研究グループが、光を吸収する前に活性化状態をとり、光を受けて不活性化されるという新しい性質を持つロドプシンを報告しました。このように動物ロドプシンの多様な性質が次々と明らかになる一方で、そのような性質の違いを生み出す分子メカニズムについては多くが未解明です。私たちは分子の動態・構造に対する分光学的アプローチと分子生物学的手法を組み合わせて、動物ロドプシンの分子メカニズムの多様性・共通性の理解を進めることを目指します。

研究テーマ３：オプトジェネティクス研究

　光による筋収縮の様子

生物は様々な方法で光を生存に利用しています。たとえば、緑藻類の1種のクラミドモナスは、光受容チャネル（チャネルロドプシン）を走光性など光依存的な行動の制御に用いています。私たちは、チャネルロドプシンをマウス脳の神経細胞に作らせ、神経細胞の活動を光で制御することに、世界に先駆けて成功しました。このように、光と遺伝子工学を組み合わせ、生体の機能を光で操作したり、光で計測する技術は、オプトジェネティクス（光遺伝学）とよばれ、生物学研究のブレークスルーになっています。私たちは、多様な生物に由来する微生物型ロドプシンや動物型ロドプシンなどの光受容タンパク質やその人工誘導体を応用した次世代オプトジェネティクスを開発し、生命の本質である物質・エネルギー・情報のダイナミズム解明に迫ります。さらに、光をエネルギー源とする動物など、新しい能力を備えた生命体を創出することで、エネルギー危機、飢餓、温暖化など地球規模の問題に挑戦することを目指しています。私たちの目指す細胞機能・代謝の光操作技術は、がん、難病、老化などの医療課題解決の基盤技術になることが見込まれます。

研究テーマ４：植物の膜電位の光観察・光操作

自ら動くことのできない植物は、環境に自らを適応させるために、環境から受ける刺激を様々なシグナルに変換して個体全体に伝達し、その形態や生理活性を柔軟に変化させています。細胞内外の電気的なバランスにより生じる膜電位形成は植物において気孔開閉・病虫害に対する防御応答・形態形成・物質輸送など、様々な生理現象に関わっている重要なシグナルの一つです。動物細胞、特に神経細胞では膜電位発生により生じるシグナル伝達を光刺激によって操作するオプトジェネティクス技術によりその活動の詳細が明らかになりつつありますが、植物ではフィトクロムやクリプトクロムといった内生の光受容体との競合から、これまでオプトジェネティクスによる膜電位操作は適用されてきませんでした。本研究では、微生物型ロドプシン由来の膜電位操作ツール、及び膜電位感受性タンパク質をシロイヌナズナに導入し、膜電位操作と検出の双方を光で行う”All-optical”な電気生理学により植物の膜電位を制御する技術の創出に挑戦します。