KR100941882B1 - Mutant Anabaena Sensory Rhodopsin with Altered Absorption Maximum - Google Patents

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Abstract

본 발명은 최대흡수파장이 변화된 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질에 관한 것이다. 본 발명은 서열목록 제 1 서열에서 206번째 아미노산 Pro 이 Asp 또는 Glu 으로 치환된 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질을 제공한다. 본 발명의 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질은 이의 최대흡수파장이 야생형 Anabaena 센서 로돕신 단백질의 것에 비해 블루-쉬프트(blue-shift) 되어 있기 때문에 에너지가 높은 단파장의 광을 조사하여 Anabaena 센서 로돕신의 센서 기능을 유도하여야 하는 경우에 매우 유용하게 적용할 수 있다. The present invention relates to an Anabaena sensor rhodopsin mutant protein with a changed maximum absorption wavelength. The present invention provides an Anabaena sensor rhodopsin mutant protein in which the 206th amino acid Pro is substituted with Asp or Glu in SEQ ID NO: 1. Since the maximum absorption wavelength of the Anabaena sensor rhodopsin mutant protein of the present invention is blue-shifted compared to that of the wild-type Anabaena sensor rhodopsin protein, it induces the sensor function of Anabaena sensor rhodopsin by irradiating light with high energy short wavelength. This can be very useful when it is necessary.

Anabaena 센서 로돕신, 박테리오로돕신, 레티닌, 최대 흡수 파장, 블루-쉬프트 Anabaena Sensor Rhodopsin, Bacteriorhodosin, Retinine, Maximum Absorption Wavelength, Blue-Shift

Description

최대흡수파장이 변화된 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질{Mutant Anabaena Sensory Rhodopsin with Altered Absorption Maximum} Mutant Anabaena Sensory Rhodopsin with Altered Absorption Maximum}

본 발명은 최대 흡수 파장이 블루-쉬프트 되어 변화된 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질에 관한 것이다. The present invention relates to an Anabaena sensor rhodopsin mutant protein whose maximum absorption wavelength is blue-shifted and changed.

광활성 레티닐화 단백질의 4가지 패밀리가 1971-1981년 동안 Halobacterium salinarum 의 세포질 막에서 발견되었다. 먼저 확인된 2가지 종류의 패밀리 단백질은 광-유도된 이온 수송체(ion transporter) 박테리오로돕신(bacteriorhodopsin, BR) [18] 및 할로로돕신(halorhodopsin, HR) 이다. BR 및 HR는 각각 광에너지를 사용하여 프로톤 및 염소(chloride)를 세포막을 통과하여 수송한다[19]. 다른 2가지 종류의 패밀리는 센서 로돕신(sensory rhodopsin, SR) I 및 Ⅱ인데, 이들은 수송 단백질이 아니며, 광센서 단백질이다. SR I 및 SR Ⅱ는 막 전달 단백질을 통해 신호를 세포 운동성 기구로 전달하는, 오렌지(orange) 및 블루-그린(blue-green) 광에 대한 유인제 및 반발제 광주성(phototaxis) 수용체이다[10].Four families of photoactive retinylated proteins were found in the cytoplasmic membrane of Halobacterium salinarum during 1971-1981. The two types of family proteins identified first are the light-induced ion transporter bacteriohodopsin (BR) [18] and halohodopsin (HR). BR and HR use light energy to transport protons and chlorides through cell membranes [19]. The other two families are sensory rhodopsin (SR) I and II, which are not transport proteins, but are photosensor proteins. SR I and SR II are attractant and repellent phototaxis receptors for orange and blue-green light, which transmit signals through membrane transfer proteins to cell motility machinery [10] ].

고미생물의 수송 로돕신 및 센서 로돕신은 원자 구조 및 기능의 면에서 연구가 매우 잘 이루어져 있으며, 가장 잘 연구된 막 단백질들 중 하나이다[8, 17, 24, 26, 27]. Transport of high microorganisms Rhodopsin and sensors Rhodopsin are well studied in terms of atomic structure and function and are among the best studied membrane proteins [8, 17, 24, 26, 27].

최근, 다른 영역에서의 발현과 결합한 지놈 프로젝트 연구 결과에 의해 고미생물(archaeal) 영역외에서의 고미생물 로돕신의 상동성 있는 단백질을 발견하였다. 바다 피코플랑크톤(picoplankton)으로부터 얻어진 DNA 라이브러리에 의해 미개척의 프로테오박테리아 종인 SAR86에서 상동성 있는 서열을 발견하였다[3]. Escherichia coli 에서 이종의 옵신(opsin) 유전자를 발현시키면 레티날에 결합하여 수송 로돕신의 매우 빠른 광사이클 특성(15 ms)으로 효과적인 프로톤 수송을 행하는 광활성 색소를 생성하는 단백질을 생산한다[2]. 광사이클 속도는 Monterey Bay picoplankton으로부터 직접 만들어진 막에서 검출된 프로테오로돕신에서 수행하였다 [3]. 따라서 이 실험은 진정세균(eubacteria) 수송 로돕신의 존재를 확인한 것이다. Recently, genome project studies combined with expression in other regions have identified homologous proteins of the high microorganism rhodopsin outside the archaeal region. Homologous sequences were found in SAR86, an unexplored proteobacterial species, by DNA libraries obtained from sea picoplankton [3]. Esherichia When expressing the opsin (opsin) in the gene of the heterologous coli produces a protein which generates a photoactive dye coupled to the retinal performing efficient proton transport in a very fast light cycle characteristic (15 ms) of the transport rhodopsin [2]. Light cycle rates were performed on proteododoxin detected in membranes made directly from Monterey Bay picoplankton [3]. Thus, this experiment confirmed the presence of rhodopsin in the transport of eubacteria.

추가적인 상동성을 갖는 옵신 (아포단백질) 서열은 시아노박테리아(cyanobacteria)에서 발견되었다 [7]. 시아노박테리아의 로돕신 (할로단백질) 색소에 의해 센서 로돕신이 진정세균에서도 존재한다는 것을 확인하였다 [14]. 옵신 동족체(homolog)를 코딩하는 유전자는 Kazusa Institute, Japan에서 Anabaena ( Nostoc ) sp. PCC7120의 지놈 서열분석 프로젝트를 통해서 발견되었다. 옵신 유전자를 E. coli에서 발현시키고 all-trans 레티날에 결합시켜 543 nm에서 최대 흡수파장을 갖는 핑크 색소를 형성하였는데, 이는 광 적응된 Anabaena 로돕신에서 레티 날의 all-trans 및 13-cis 형태의 혼합물이다[12]. 또한, Anabaena 로돕신의 최대 흡수 파장은 암조건-적응된 형태에서 549 nm인 것으로 보고되었다 [6]. Opsin (apoprotein) sequences with additional homology have been found in cyanobacteria [7]. The rhodopsin (haloprotein) pigment of cyanobacteria confirmed that sensor rhodopsin was also present in sedative bacteria [14]. The gene encoding the opsin homolog is described by Anabaena ( Nostoc ) sp. In Kazusa Institute, Japan. It was discovered through the genome sequencing project of PCC7120. The opsin gene was expressed in E. coli and bound to all- trans retinal to form a pink pigment with a maximum absorption wavelength at 543 nm, which is the all- trans and 13- cis form of retinal in photoadapted Anabaena rhodopsin. Mixtures [12]. In addition, the maximum absorption wavelength of Anabaena rhodopsin was reported to be 549 nm in dark-adapted form [6].

E. coli 막에서 Anabaena 로돕신은 pH 6.8에서 M 광중간체 및 110 ms 반감기 사이클을 갖는 광화학적 사이클을 나타내었고, 흥미롭게도 13-cis 광사이클을 나타내었다 [4, 12, 21]. 지놈에서 동일한 프로모터하에서 존재하는 16 bp에 의해 분리된 Anabaena 옵신 유전자 및 다른 ORF (open reading frame)가 발견되었다. 이 오페론은 261-아미노산(옵신) 및 125-아미노산(14 kDa) 단백질을 각각 코딩하는 것으로 예측되었다. Anabaena rhodopsin in the E. coli membrane exhibited a photochemical cycle with M photointermediate and 110 ms half-life cycle at pH 6.8, and interestingly 13- cis photocycle [4, 12, 21]. In the genome, the Anabaena opsin gene and another open reading frame (ORF) isolated by 16 bp present under the same promoter were found. This operon was predicted to encode 261-amino acid (opsin) and 125-amino acid (14 kDa) proteins, respectively.

Anabaena 로돕신과 용해성 변환단백질(transducer)가 E. coli 에서 공동발현되었을때, 광 사이클이 20% 까지 증가하였는데, 이는 두 단백질간의 물리적 접촉을 암시하는 것이다. 이 색소는 E. coli 에서 발현시켰을때 검출가능한 정도의 프로톤 수송 활성은 나타내지는 않았고, BR(박테리오로돕신)의 프로톤 도너인 Asp96 이 Anabaena 로돕신에서 Ser86으로 교체되어 있었다. 일반적으로 BR 에서는 발색단(chromophore)인 all-trans 레티날이 막 내부 깊숙이 위치한 라이신(lysine) 잔기의 ε-아미노기에 시프 염기(Schiff base)를 통해서 공유결합적으로 연결되어 있다. 세포가 빛을 받으면, 박테리오로돕신에 결합된 all-trans 레티날이 광자(photon)를 흡수하고 13-cis-레티날로 광이성화(photoisomerization)를 진행하여, 프로톤을 플라스마막을 통해 밖으로 이동시키면서 all-trans 레티날로 다시 회복된다. 암조건하에서 시프 염기는 프로톤화되지만, 레티날이 광이성화되면 이 그룹의 pKa를 낮추고 이의 프로톤을 Asp85(프로톤 수용자) 잔기 근처로 방출하고, 연 속적인 프로톤 도약(hop)을 개시하여 최종적으로 프로톤을 막의 외부 표면으로 방출시킨다[5]. 프로톤이 펌핑된 후, 시프 염기는 Asp96(프로톤 공여자)으로부터 프로톤을 얻고, Asp96는 다시 세포질로부터 프로톤을 얻는다. BR의 경우와 대조적으로, Anabaena 로돕신은 프로톤 공여자가 Ser86 잔기로 대체되어 있다. When Anabaena rhodopsin and soluble transducer were coexpressed in E. coli , the light cycle increased by 20%, suggesting physical contact between the two proteins. This pigment did not show detectable proton transport activity when expressed in E. coli , and Asp96, a proton donor of B. bacteriododocin, was replaced with Ser86 from Anabaena rhodopsin. Generally, in BR, all- trans retinal, which is a chromophore, is covalently linked to the ε-amino group of a lysine residue located deep inside the membrane through a Schiff base. Cell receives a light, the all- trans retinal coupled to bacteriorhodopsin photon (photon) absorption and the 13- cis-retinal to proceed with the photo-isomerization-day (photoisomerization), by moving out through the plasma membrane proton all- trans retinoic He recovers day by day. Under dark conditions, the seed base is protonated, but when retinal is photoisomerized, it lowers the pKa of this group, releases its protons near the Asp85 (proton acceptor) residues, initiates successive proton hops and finally protons. Is released to the outer surface of the membrane [5]. After the protons are pumped, the seed base gets protons from Asp96 (proton donor) and Asp96 again gets protons from the cytoplasm. In contrast to BR, Anabaena Rhodopsin has a proton donor replaced with a Ser86 residue.

이러한 관찰은 막단백질인 변환단백질(transducer)과의 막통과(transmembrane) 나선-나선(helix-helix) 상호작용에 의해 신호를 전달하는 고미생물 센서 로돕신[8]과는 다르게, Anabaena 로돕신이 자연적인 환경하에서 광센서 수용체로서 기능하며, 125 아미노산 잔기로 이루어진 세포질 용해성 단백질이 광수용체로부터의 신호를 전달한다[12]는 점을 신빙성 있게 암시하는 것이다. This observation is different from that of the high-microbial sensor Rhodopsin [8], which is unlikely to be transmitted by transmembrane helix-helix interactions with the transprotein . It reliably suggests that the cytosolic protein consisting of 125 amino acid residues, which acts as an optical sensor receptor in the environment, carries a signal from the photoreceptor [12].

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다. Throughout this specification, many papers and patent documents are referenced and their citations are indicated. The disclosures of the cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety to better understand the state of the art to which the present invention pertains and the content of the present invention.

본 발명자들은 Anabaena 센서 로돕신에서 광의 최대흡수파장이 야생형의 것과 비교하여 짧게 변화된 돌연변이 단백질을 찾기 위해 연구 노력한 결과, 서열목록 제1서열로 표현되는 야생형 Anabaena 센서 로돕신 단백질에서 206번째 아미노산인 Pro을 Asp 또는 Glu로 치환한 돌연변이 로돕신 단백질이 야생형 Anabaena 센서 로돕신 단백질의 것 보다 광의 최대 흡수 파장이 짧아진다는 것을 실험적으로 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다. In an effort to find a mutant protein in which the maximum absorption wavelength of light in the Anabaena sensor rhodopsin is shorter compared to that of the wild type, the inventors found that the 206th amino acid of Pro in the wild type Anabaena sensor rhodopsin protein represented by SEQ ID No. 1 is Asp or Mutant Rhodopsin Protein Replaced by Glu with Wild-type Anabaena The present invention was completed by experimentally revealing that the maximum absorption wavelength of light is shorter than that of the sensor rhodopsin protein.

따라서, 본 발명의 목적은 Anabaena 센서 로돕신 단백질의 광의 최대 흡수 파장이 야생형의 것보다 짧아진 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질을 제공하는 것에 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide an Anabaena sensor rhodopsin mutant protein in which the maximum absorption wavelength of light of the Anabaena sensor rhodopsin protein is shorter than that of the wild type.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질을 인코딩하는 핵산분자를 제공하는 것에 있다. Still another object of the present invention is to provide a nucleic acid molecule encoding the Anabaena sensor rhodopsin mutant protein.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질을 인코딩하는 핵산분자를 포함하는 벡터를 제공하는 것에 있다. Still another object of the present invention is to provide a vector comprising a nucleic acid molecule encoding the Anabaena sensor rhodopsin mutant protein.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질을 인코딩하는 핵산분자를 포함하는 벡터를 포함하는 형질전환체를 제공하는 것에 있다.Still another object of the present invention is to provide a transformant comprising a vector comprising a nucleic acid molecule encoding the Anabaena sensor rhodopsin mutant protein.

본 발명의 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다. The objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description, claims and drawings.

본 발명의 일 양태에 따르면, 서열목록 제1서열에서 206번째 아미노산인 Pro 이 Asp 또는 Glu 으로 치환된 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an Anabaena sensor rhodopsin mutant protein in which the 206th amino acid Pro is substituted with Asp or Glu in SEQ ID NO: 1.

본 발명자들은 Anabaena 센서 로돕신에서 최대 흡수 광의 파장이 야생형의 것과 비교하여 짧게 변화된 돌연변이 단백질을 찾기 위해 연구 노력한 결과, 서열목록 제1서열로 표현되는 야생형 Anabaena 센서 로돕신 단백질에서 레티날 결합 포켓을 구성하는 아미노산 중의 하나인 206번째 아미노산인 Pro을 Asp 또는 Glu으로 치환한 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질이 Anabaena 센서 로돕신 야생형 단백질 보다 최대 흡수 광의 파장이 짧아진다는 것을 실험적으로 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다. The present inventors have found that the amino acid constituting the retinal binding pocket in the research efforts result, the wild-type Anabaena sensor rhodopsin protein represented by SEQ ID NO: 1 to find the changed mutant proteins shorter maximum absorption wavelength of the light is compared with that of wild type in Anabaena sensor rhodopsin Anabaena Substitutes Asp or Glu for 206th Amino Acid sensor Rhodopsin Mutant Protein Anabaena The present invention was completed by experimentally revealing that the wavelength of the maximum absorption light is shorter than that of the sensor rhodopsin wild type protein.

본 발명의 명세서에서 용어 “Anabaena 센서 로돕신 단백질”은 7개의 막통과(transmembrane) 도메인을 가지며 발색단(chromophore)으로서 all-trans / 13-cis 레티날이 결합된 Anabaena 미생물의 광흡수 색소 단백질을 의미한다. As used herein, the term “ Anabaena sensor rhodopsin protein” refers to a light-absorbing pigment protein of Anabaena microorganism having seven transmembrane domains and all- trans / 13- cis retinal bound as a chromophore. .

Anabaena 센서 로돕신을 갖는 세포에 광을 조사하면 로돕신에 결합되어 있던 all-trans 레티날이 광자(photon)를 흡수하여 13-cis 레티날의 형태로 변화하게 되는 광이성화(photoisomerization)을 거치고, 13-cis 레티날은 다시 원래의 all-trans 레티날로 회복된다. 이러한 과정에서 발생되는 구조적 변화(conformational change)에 의해 발생되는 신호는 세포막에 존재하는 변환단백질(trnasducer)를 통해 세포안으로 전달된다. When light is irradiated to cells with Anabaena sensor rhodopsin, all- trans retinal bound to rhodopsin absorbs photons and 13- cis Through photoisomerization, which changes to retinal form, 13- cis The retinal reverts back to the original all- trans retinal. The signal generated by the conformational change generated in this process is transmitted into the cell through a transnasal protein (trnasducer) present in the cell membrane.

바람직하게는 본 발명의 “Anabaena 센서 로돕신의 야생형 단백질”은 서열목록 제1서열의 아미노산 서열으로 표현된다. Preferably, the “wild type protein of Anabaena sensor rhodopsin” of the present invention is represented by the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1.

본 발명의 명세서의 서열목록 제1서열에서의 “206번째” 아미노산은 다른 미생물 로돕신들에서 레티날-결합 포켓을 구성하는 약 22개의 보존된 아미노산 잔기들 중의 하나이다. 상기 미생물 로돕신의 보존된 서열인 레티날-결합 포켓을 구성하는 아미노산들은 로돕신이 흡수하는 광의 특성 및 이온 수송이나 센서에 의한 신호 전달 기능을 조절하는데 있어서 중요한 역할을 한다. The "206th" amino acid in SEQ ID NO: 1 of the present specification is one of about 22 conserved amino acid residues that make up the retinal-binding pocket in other microbial rhodopsin. The amino acids that make up the retinal-binding pocket, the conserved sequence of the microorganism rhodopsin, play an important role in regulating the properties of light absorbed by rhodopsin and ion transport or signal transduction by sensors.

본 발명의 야생형 Anabaena 센서 로돕신의 206번째 아미노산인 Pro을 Glu 또는 Asp 으로 치환시킨 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질(이하, “Pro206Glu” 또는 “Pro206Asp”로 기재함)은 이의 최대흡수파장이 Anabaena 센서 로돕신 야생형 단백질의 것에 비해 약 46 nm “블루-쉬프트(blue-shift)”되어 있다. The Anabaena sensor rhodopsin mutant protein (hereinafter referred to as “Pro206Glu” or “Pro206Asp”) in which Pro, the 206th amino acid of the wild-type Anabaena sensor rhodopsin of the present invention is substituted with Glu or Asp, has a maximum absorption wavelength of Anabaena sensor rhodopsin wild type protein. It is about 46 nm "blue-shifted" compared to.

본 발명의 명세서에서 용어“블루-쉬프트”란 로돕신의 최대흡수파장이 가시광선에서 파란색 방향인 짧은 쪽으로 이동되었다는 의미이다. 본 발명의 “Pro206Glu” 또는 “Pro206Asp” Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질은 이의 최대흡수파장이 Anabaena 센서 로돕신 야생형 단백질의 것에 비해 블루-쉬프트 되어 있기 때문에, 에너지가 높은 단파장의 광을 조사하여 Anabaena 센서 로돕신의 센서 기능을 유도하여야 하는 경우, 예를 들어 물이나 용매를 투과하여 센서를 작동시켜야 할 때 본 발명의 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질을 발현시켜서, 광이 수분이 있는 얇은 층을 통과하여야만 Anabaena 센서 로돕신 단백질의 광센서 기능을 유도할 수 있는 경우에 매우 유용하게 적용할 수 있다. The term "blue-shift" in the context of the present invention means that the maximum absorption wavelength of rhodopsin has shifted from the visible to the shorter, blue direction. "Pro206Glu" or "Pro206Asp" of the present invention Anabaena sensor rhodopsin mutant protein thereof, the maximum absorption wavelength of Anabaena sensor rhodopsin blue compared to the wild-type protein - because the shift, the sensor of Anabaena sensor rhodopsin by applying energy with high short wavelength of the light If the function is to be induced, for example, when the sensor must be operated through water or a solvent, the Anabaena sensor rhodopsin mutant protein of the present invention must be expressed so that the light must pass through a thin layer of moisture so that the light of the Anabaena sensor rhodopsin protein This can be very useful when a sensor function can be derived.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 서열목록 제1서열에서 206번째 아미노산 Pro 이 Asp 또는 Glu 으로 치환된 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질을 인코딩하는 핵산 분자를 제공한다. According to another aspect of the present invention, the present invention provides a nucleic acid molecule encoding the Anabaena sensor rhodopsin mutant protein in which the 206th amino acid Pro is substituted with Asp or Glu in the first sequence.

본 명세서에서 용어 “핵산 분자”는 DNA (gDNA 및 cDNA) 그리고 RNA 분자를 포괄적으로 포함하는 의미를 가지며, 핵산 분자에서 기본 구성 단위인 뉴클레오타이드는 자연의 뉴클레오타이드뿐만 아니라, 당 또는 염기 부위가 변형된 유사체 (analogue)도 포함한다 (Scheit, Nucleotide Analogs, John Wiley, New York(1980); Uhlman 및 Peyman, Chemical Reviews, 90:543-584(1990)). As used herein, the term “nucleic acid molecule” is meant to encompass DNA (gDNA and cDNA) and RNA molecules inclusively, and the nucleotides that are the basic building blocks of nucleic acid molecules are natural nucleotides, as well as analogs in which sugar or base sites are modified. (analogue) (Scheit, Nucleotide Analogs , John Wiley, New York (1980); Uhlman and Peyman, Chemical Reviews , 90: 543-584 (1990).

가장 바람직하게는, 본 발명의 핵산 분자는 서열목록 제2서열(Pro206Asp) 또는 제3서열(Pro206Glu) 나타내는 뉴클레오타이드 서열을 포함한다. Most preferably, the nucleic acid molecule of the present invention comprises a nucleotide sequence represented by SEQ ID NO: 2 (Pro206Asp) or 3 (Pro206Glu).

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 (a) Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질을 인코딩하는 상술한 본 발명의 핵산 분자 및 (b) 상기 핵산 분자에 작동적으로 결합된(operatively linked) 프로모터를 포함하는 벡터를 제공한다. According to another aspect of the invention, the invention comprises (a) the above-described nucleic acid molecule of the invention encoding the Anabaena sensor rhodopsin mutant protein and (b) a promoter operatively linked to the nucleic acid molecule. Provide a vector

본 발명의 벡터 시스템은 당업계에 공지된 다양한 방법을 통해 구축될 수 있으며, 이에 대한 구체적인 방법은 Sambrook et al., Molecular Cloning , A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press(2001)에 개시되어 있으며, 이 문헌은 본 명세서에 참조로서 삽입된다. The vector system of the present invention can be constructed through various methods known in the art, and specific methods thereof are described in Sambrook et al., Molecular . Cloning , A Laboratory Manual , Cold Spring Harbor Laboratory Press (2001), which is incorporated herein by reference.

본 발명의 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질을 인코딩하는 핵산 분자는 원핵세포 또는 진핵세포에서 작동하는 프로모터에 작동적으로 연결(operatively linked)된다. 본 명세서에서, 용어 “작동적으로 결합된”은 핵산 발현 조절 서 열(예: 프로모터, 시그널 서열, 또는 전사조절인자 결합 위치의 어레이)과 다른 핵산 서열사이의 기능적인 결합을 의미하며, 이에 의해 상기 조절 서열은 상기 다른 핵산 서열의 전사 및/또는 해독을 조절하게 된다. The nucleic acid molecule encoding the Anabaena sensor rhodopsin mutant protein of the present invention is operatively linked to a promoter operating in prokaryotic or eukaryotic cells. As used herein, the term “operably linked” refers to a functional binding between a nucleic acid expression control sequence (eg, an array of promoters, signal sequences, or transcriptional regulator binding sites) and other nucleic acid sequences. The regulatory sequence will control transcription and / or translation of the other nucleic acid sequence.

본 발명의 벡터는 전형적으로 클로닝을 위한 벡터 또는 발현을 위한 벡터로서 구축될 수 있다. 또한, 본 발명의 벡터는 원핵 세포 또는 진핵 세포를 숙주로 하여 구축될 수 있다. 본 발명의 핵산 분자가 원핵 세포 유래이고, 배양의 편의성 등을 고려하여, 원핵 세포를 숙주로 하는 것이 바람직하다. Vectors of the present invention can typically be constructed as vectors for cloning or vectors for expression. In addition, the vector of the present invention can be constructed using prokaryotic or eukaryotic cells as hosts. It is preferable that the nucleic acid molecule of the present invention is derived from a prokaryotic cell, and the prokaryotic cell is used as a host in consideration of the convenience of culture.

예를 들어, 본 발명의 벡터가 발현 벡터이고, 원핵 세포를 숙주로 하는 경우에는, 전사를 진행시킬 수 있는 강력한 프로모터 (예컨대, tac 프로모터, lac 프로모터, lacUV5 프로모터, lpp 프로모터, pL λ프로모터, pR λ프로모터, rac5 프로모터, amp 프로모터, recA 프로모터, SP6 프로머터, trp 프로모터 및 T7 프로모터 등), 해독의 개시를 위한 라이보좀 결합 자리 및 전사/해독 종결 서열을 포함하는 것이 일반적이다. 숙주 세포로서 E. coli (예, HB101, BL21, DH5α 등)가 이용되는 경우, E. coli 트립토판 생합성 경로의 프로모터 및 오퍼레이터 부위 (Yanofsky, C., J. Bacteriol ., 158:1018-1024(1984)) 그리고 파아지 λ의 좌향 프로모터 (pL λ프로모터, Herskowitz, I. and Hagen, D., Ann . Rev . Genet ., 14:399-445(1980))가 조절 부위로서 이용될 수 있다. 숙주세포로서 바실러스 균이 이용되는 경우, 바실러스 츄린겐시스의 독소단백질 유전자의 프로모터 (Appl . Environ. Microbiol . 64:3932-3938(1998); Mol . Gen . Genet . 250:734-741(1996)) 또는 바실러스균에서 발현 가능한 어떠한 프로모터라도 조절부위로 이용될 수 있다. For example, when the vector of the present invention is an expression vector and the prokaryotic cell is a host, a strong promoter capable of promoting transcription (for example, the tac promoter, lac Promoter, lac UV5 promoter, lpp promoter, p L λ promoter, p R λ promoter, rac 5 promoter, amp promoter, recA promoter, SP6 promoter, trp promoter and T7 promoter, etc.), ribosomal binding site for initiation of detoxification And transcription / detox termination sequences. When E. coli (e.g., HB101, BL21, DH5α, etc.) is used as the host cell, the promoter and operator sites of the E. coli tryptophan biosynthetic pathway (Yanofsky, C., J. Bacteriol . , 158: 1018-1024 (1984 )) and the leftward promoter of phage λ p L promoter, Herskowitz, I. and Hagen, D. , Ann Rev Genet, 14:... may be used 399-445 (1980)) as a control region. When Bacillus bacteria are used as host cells, the promoter of the Bacillus Chuo toxin protein gene of ringen sheath (Appl Environ Microbiol 64: 3932-3938 ( 1998); Mol Gen Genet 250:...... 734-741 (1996) ) Or any promoter expressible in Bacillus may be used as a regulatory site.

한편, 본 발명에 이용될 수 있는 벡터는 당업계에서 종종 사용되는 플라스미드 (예: pSC101, pGV1106, pACYC177, ColE1, pKT230, pME290, pBR322, pUC8/9, pUC6, pBD9, pHC79, pIJ61, pLAFR1, pHV14, pGEX 시리즈, pET 시리즈 및 pUC19 등), 파지 (예: λgt4?λB, λ-Charon, λΔz1 및 M13 등) 또는 바이러스 (예: SV40 등)를 조작하여 제작될 수 있다. On the other hand, vectors that can be used in the present invention are plasmids often used in the art (eg, pSC101, pGV1106, pACYC177, ColE1, pKT230, pME290, pBR322, pUC8 / 9, pUC6, pBD9, pHC79, pIJ61, pLAFR1, pHV14). , pGEX series, pET series and pUC19, etc.), phage (eg, λgt4? λB, λ-Charon, λΔz1 and M13, etc.) or viruses (eg SV40, etc.).

한편, 본 발명의 벡터가 발현 벡터이고, 진핵 세포를 숙주로 하는 경우에는, 포유동물 세포의 지놈으로부터 유래된 프로모터 (예: 메탈로티오닌 프로모터) 또는 포유동물 바이러스로부터 유래된 프로모터 (예: 아데노바이러스 후기 프로모터, 백시니아 바이러스 7.5K 프로모터, SV40 프로모터, 사이토메갈로바이러스 프로모터 및 HSV의 tk 프로모터)가 이용될 수 있으며, 전사 종결 서열로서 폴리아데닐화 서열(예: 소성장 호르몬 터미네이터 및 SV40 유래 폴리 아데닐화 서열)을 일반적으로 갖는다. On the other hand, when the vector of the present invention is an expression vector and the eukaryotic cell is a host, a promoter derived from the genome of the mammalian cell (e.g., a metallothionine promoter) or a promoter derived from a mammalian virus (e.g., adeno) virus late promoter, the vaccinia virus 7.5K promoter, SV40 promoter, cytomegalovirus promoter and HSV tk Promoters) can be used, and generally have a polyadenylation sequence (eg, a plasmogenic hormone terminator and a SV40 derived poly adenylation sequence) as a transcription termination sequence.

본 발명에 이용될 수 있는 진핵 세포용 발현 벡터는 당업계에 공지된 다양한 벡터로부터 선택할 수 있다. 예를 들어, SV40 벡터, 파필로마 바이러스 벡터, YIp5, YCpl9, 엡스테인-바 바이러스 벡터, pMSG, pAV009/A+, pMAMneo-5, 배큘로바이러스 pDSVE, pSecTag2B 또는 yT&A 벡터의 구조를 기본적인 백본으로 가질 수 있다.Expression vectors for eukaryotic cells that can be used in the present invention can be selected from a variety of vectors known in the art. For example, the basic backbone may have the structure of an SV40 vector, papilloma virus vector, YIp5, YCpl9, an Epstein-Barr virus vector, pMSG, pAV009 / A + , pMAMneo-5, baculovirus pDSVE, pSecTag2B, or yT & A vector. Can be.

본 발명의 벡터는 그로부터 발현되는 히스톤 탈아세틸화 효소의 정제를 용이 하게 하기 위하여, 다른 서열과 융합될 수도 있다. 융합되는 서열은 예컨대, 글루타티온 S-트랜스퍼라제 (Pharmacia, USA), 말토스 결합 단백질 (NEB, USA), FLAG (IBI, USA) 및 6x His (hexahistidine; Quiagen, USA) 등이 있다. Vectors of the present invention may be fused with other sequences to facilitate purification of histone deacetylases expressed therefrom. Sequences to be fused include, for example, glutathione S-transferase (Pharmacia, USA), maltose binding protein (NEB, USA), FLAG (IBI, USA) and 6x His (hexahistidine; Quiagen, USA).

상기 융합 서열이 포함되어 있는 벡터에 의해 발현된 융합 단백질은 친화성 크로마토그래피에 의해 정제된다. 예컨대, 글루타티온-S-트랜스퍼라제가 융합된 경우에는 이 효소의 기질인 글루타티온을 이용할 수 있고, 6x His이 이용된 경우에는 Ni-NTA His-결합 레진 컬럼 (Novagen, USA)을 이용하여 소망하는 히스톤 탈아세틸화 효소를 신속하고 용이하게 얻을 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질은 C-말단에 6개의 히스티딘(His) 잔기가 융합(His-태그(tagged))되어 있다. 이러한 본 발명의 His-태그된 로돕신 단백질은 Ni2 +-NTA 아가로스 비드(Qiagen, Valencia, CA, U.S.A.)를 사용하여 정제한다. Fusion proteins expressed by the vector containing the fusion sequence are purified by affinity chromatography. For example, when glutathione-S-transferase is fused, glutathione, which is a substrate of this enzyme, can be used, and when 6x His is used, a desired histone is performed using a Ni-NTA His-binding resin column (Novagen, USA). Deacetylase can be obtained quickly and easily. Preferably, the Anabaena sensor rhodopsin mutant protein of the present invention is fused (His-tagged) with six histidine (His) residues at the C-terminus. These rhodopsin His- tagged protein of the present invention are purified using a Ni 2 + -NTA agarose beads (Qiagen, Valencia, CA, USA ).

한편, 본 발명의 벡터는 선택표지로서, 당업계에서 통상적으로 이용되는 항생제 내성 유전자를 포함하며, 예를 들어 암피실린, 겐타마이신, 카베니실린, 클로람페니콜, 스트렙토마이신, 카나마이신, 게네티신, 네오마이신 및 테트라사이클린에 대한 내성 유전자가 있다. Meanwhile, the vector of the present invention includes an antibiotic resistance gene commonly used in the art as an optional marker, for example, ampicillin, gentamicin, carbenicillin, chloramphenicol, streptomycin, kanamycin, geneticin, neomycin And resistance genes for tetracycline.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상술한 본 발명의 벡터를 포함하는 형질전환체를 제공한다. 본 발명의 벡터를 안정되면서 연속적으로 클로닝 및 발현시킬 수 있는 숙주 세포는 당업계에 공지되어 어떠한 숙주 세포도 이용할 수 있으며, 예컨대, E. coli JM109, E. coli BL21(DE3), E. coli RR1, E. coli LE392, E. coli B, E. coli X 1776, E. coli W3110, 바실러스 서브틸리스, 바실러스 츄린겐시스와 같은 바실러스 속 균주, 그리고 살모넬라 티피무리움, 세라티아 마르세슨스 및 다양한 슈도모나스 종과 같은 장내균과 균주 등이 있다. According to another aspect of the present invention, the present invention provides a transformant comprising the vector of the present invention described above. Host cells capable of stably and continuously cloning and expressing the vectors of the present invention are known in the art and can be used with any host cell, for example E. coli JM109, E. coli Bacillus sp. Strains such as BL21 (DE3), E. coli RR1, E. coli LE392, E. coli B, E. coli X 1776, E. coli W3110, Bacillus subtilis, Bacillus thuringiensis, and Salmonella typhimurium Enterobacteria and strains such as Um, Serratia Marcesons and various Pseudomonas species.

또한, 본 발명의 벡터를 진핵 세포에 형질전환시키는 경우에는 숙주 세포로서, 이스트 (Saccharomyce cerevisiae), 곤충 세포 및 사람 세포 (예컨대, CHO 세포주 (Chinese hamster ovary), W138, BHK, COS-7, 293, HepG2, 3T3, RIN 및 MDCK 세포주) 등이 이용될 수 있다. In addition, when transforming a vector of the present invention to eukaryotic cells, as host cells, yeast ( Saccharomyce cerevisiae ), insect cells and human cells (e.g., CHO cell line (Chinese hamster ovary), W138, BHK, COS-7, 293 , HepG2, 3T3, RIN and MDCK cell lines) and the like can be used.

본 발명의 벡터를 숙주 세포 내로 운반하는 방법은, 숙주 세포가 원핵 세포인 경우, CaCl2 방법 (Cohen, S.N. et al., Proc . Natl . Acac . Sci . USA, 9:2110-2114(1973)), 하나한 방법 (Cohen, S.N. et al., Proc . Natl . Acac . Sci . USA, 9:2110-2114(1973); 및 Hanahan, D., J. Mol . Biol ., 166:557-580(1983)) 및 전기 천공 방법 (Dower, W.J. et al., Nucleic . Acids Res ., 16:6127-6145(1988)) 등에 의해 실시될 수 있다. 또한, 숙주 세포가 진핵 세포인 경우에는, 미세 주입법 (Capecchi, M.R., Cell, 22:479(1980)), 칼슘 포스페이트 침전법 (Graham, F.L. et al., Virology, 52:456(1973)), 전기 천공법 (Neumann, E. et al., EMBO J., 1:841(1982)), 리포좀-매개 형질감염법 (Wong, T.K. et al., Gene, 10:87(1980)), DEAE-덱스트란 처리법 (Gopal, Mol . Cell Biol ., 5:1188-1190(1985)), 및 유전자 밤바드먼트 (Yang et al., Proc . Natl . Acad . Sci ., 87:9568-9572(1990)) 등에 의해 벡터를 숙주 세포 내로 주입할 수 있다. The method of carrying a vector of the present invention into a host cell is performed by the CaCl 2 method (Cohen, SN et al., Proc . Natl . Acac . Sci . USA , 9: 2110-2114 (1973), when the host cell is a prokaryotic cell). ), One method (Cohen, SN et al., Proc . Natl . Acac . Sci . USA , 9: 2110-2114 (1973); and Hanahan, D., J. Mol . Biol . , 166: 557-580 (1983)) and electroporation methods (Dower, WJ et al., Nucleic . Acids Res . , 16: 6127-6145 (1988)). In addition, when the host cell is a eukaryotic cell, fine injection method (Capecchi, MR, Cell , 22: 479 (1980)), calcium phosphate precipitation method (Graham, FL et al., Virology , 52: 456 (1973)), Electroporation (Neumann, E. et al., EMBO J. , 1: 841 (1982)), liposome-mediated transfection (Wong, TK et al., Gene , 10:87 (1980)), DEAE- Dextran Treatment (Gopal, Mol . Cell Biol . , 5: 1188-1190 (1985)), and gene bombardment (Yang et al., Proc . Natl . Acad . Sci . , 87: 9568-9572 (1990)) and the like can be injected into host cells. have.

숙주 세포 내로 주입된 벡터는 숙주 세포 내에서 발현될 수 있으며, 이러한 경우에는 다량의 Anabaena 센서 로돕신의 돌연변이 단백질을 얻게 된다. 예를 들어, 상기 발현 벡터가 lac 프로모터를 포함하는 경우에는 숙주 세포에 IPTG를 처리하여 유전자 발현을 유도할 수 있다. The vector injected into the host cell can be expressed in the host cell, in which case a large amount of mutant protein of Anabaena sensor rhodopsin is obtained. For example, when the expression vector contains a lac promoter, the host cell may be treated with IPTG to induce gene expression.

본 발명의 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질은 야생형 단백질에 비해 광의 최대 흡수 파장이 블루-쉬프트되어, 에너지가 강한 단파장의 광을 최대흡수파장으로 하여야만 하는 경우에 매우 유용하게 사용할 수 있다는 점에서 이점이 있다. The Anabaena sensor rhodopsin mutant protein of the present invention has an advantage in that it can be used very usefully when the maximum absorption wavelength of light having strong maximum wavelength is blue-shifted compared to wild type protein.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질은 Anabaena 센서 로돕신 야생형 단백질에 비해 흡수광의 최대흡수파장이 블루-쉬프트 되어, 에너지가 강한 단파장의 광을 사용하여야만 하는 경우에 매우 유용하게 적용할 수 있는 이점이 있다. As described in detail above, the Anabaena sensor rhodopsin mutant protein of the present invention is blue-shifted as compared with the Anabaena sensor rhodopsin wild-type protein, the maximum absorption wavelength of blue light, it is very useful to apply when the energy has to use short wavelength light There is an advantage to this.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples in accordance with the gist of the present invention. .

실시예Example

실험 재료 및 방법 Experimental Materials and Methods

세균 균주 및 플라스미드 Bacterial Strains and Plasmids

E. coli 형질전환체(transformants)들은 엠피실린(ampicillin, 100 μg/ml) 및 클로람페니콜(chloramphenicol)의 존재하에서 LB (Luria-Bertani) 배지에서 온도 35℃로 유지하여 배양하였다[9]. 센서 로돕신(sensory rhodopsin) 컨스트럭트는 E. coli 균주 UT5600에서 pMS107 의 PlacUV5 프로모터[12] 하에서 발현시켰다. DH5α를 사용하여 Anabaena sp. 7120 (provided by James Golden, Texas A&M University, College Station, TX, U.S.A.)의 지놈 DNA로부터 오페론 유전자를 클로닝하였다. Anabaena sp. 7120 세포는 BG11 [12, 15] 배지에서 온도 25℃로 유지하면서 배양하였다. E. coli transformants were cultured at 35 ° C. in LB (Luria-Bertani) medium in the presence of ampicillin (100 μg / ml) and chloramphenicol [9]. A sensory rhodopsin construct was expressed in the E. coli strain UT5600 under the PlacUV5 promoter of pMS107. Anabaena sp. Using DH5α. The operon gene was cloned from the genome DNA of 7120 (provided by James Golden, Texas A & M University, College Station, TX, USA). Anabaena sp. 7120 cells were cultured in BG11 [12, 15] medium at 25 ° C.

레티날Retinal 신타아제Synthase (( RetinalRetinal SynthaseSynthase ) 및 다양한 ) And various 옵신(Opsins)을Opsins 코딩하는 플라스미드의 제조  Preparation of the coding plasmid

제한효소 및 T4 DNA 리가아제는 NEB (MA, U.S.A.)로부터 구입하였고 PFU DNA 폴리머라아제는 Vivagen (Sungnam, Korea)로부터 구입하였다. 올리고뉴클레오타이드는 Cosmogentech 사 (Seoul, Korea)로부터 구입하였다. 엠피실린, 클로람페니콜 및 all-trans 레티날은 Sigma 사 (St. Louis, MO, U.S.A.)로부터 구입하였다. 돌 연변이 ASR_S86D, ASR_P206D, 및 ASR_P206E 및 이중 돌연변이 ASR_S86D/P206D는 야생형 유전자를 주형으로 사용한 메가프라이머(megaprimer)의 변형방법에 의한 2-단계 PCR 돌연변이유발 방법을 사용하여 제조하였다 [13, 20]. PCR는 PFU 폴리머라아제를 사용하여 95 ℃에서 1분, 55 ℃에서 1분 및 72 ℃에서 3분으로 30 사이클을 수행하였다. PCR 프러덕트를 정제 분리한 후 NdeI 및 NotI으로 절단하고, IPTG 유도의 조절하의 E. coli 발현 벡터안으로 도입하였다. 포인트 돌연변이는 최종 제작된 발현 벡터내에서 PCR-제조된 인서트를 DNA 시퀀싱하여 확인하였다. His는 단백질의 C-말단에 부착된 6개의 히스티딘 잔기를 갖는 태그를 지칭한다. Restriction enzyme and T4 DNA ligase were purchased from NEB (MA, USA) and PFU DNA polymerase was purchased from Vivagen (Sungnam, Korea). Oligonucleotides were purchased from Cosmogentech (Seoul, Korea). Empicillin, chloramphenicol and all- trans retinal were purchased from Sigma (St. Louis, MO, USA). Mutants ASR_S86D, ASR_P206D, and ASR_P206E and double mutant ASR_S86D / P206D were prepared using a two-step PCR mutagenesis method by modification of megaprimers using wild-type genes as templates [13, 20]. PCR was performed for 30 cycles using PFU polymerase for 1 minute at 95 ° C., 1 minute at 55 ° C. and 3 minutes at 72 ° C. PCR products were purified and isolated, digested with NdeI and NotI, and introduced into E. coli expression vectors under the control of IPTG induction. Point mutations were confirmed by DNA sequencing of the PCR-prepared inserts in the final produced expression vector. His refers to a tag with six histidine residues attached to the C-terminus of the protein.

E. E. colicoli 세포에서 미생물의 센서  Sensor of microorganisms in the cell 로돕신의Rhodopsin 발현  Expression

ASR 돌연변이는 프로톤 펌핑(proton pumping) 측정을 위해 E. coli 균주 UT5600에서 플라스미드 pKJ900-ASR를 사용하여 발현시켰고, 웨스턴 블로팅 및 흡수 분광분석(absorption spectroscopy)을 위해서는 E. coli 균주 β-UT에서 플라스미드 pKJ900-ASR을 사용하여 발현시켰다. β-UT 세포는 4개의 카로티노이드 생합성 유전자를 포함하는 플라스미드를 가진다[16, 28]. 형질전환체를 밤샘 배양한 후 1:100으로 희석하고, 35 ℃ 및 600 nm 에서 0.4 흡광도 유닛이 될 때까지 배양하였다. 프로톤 수송 측정을 위한 단백질을 얻기 위해, all-trans 레티날을 0.2 % L-아라비노오스와 함께 최종 농도 5 mM이 될 때 까지 첨가하였다. 레티날-생성된 흡수 스펙트럼을 측정하기 위해, 아포-단백질을 레티날을 첨가하지 않고 유도하였다. β-UT 세포는 0.2 % L-아라비노오스 및 1 mM IPTG로 35 ℃에서 3시간 동안 유도하 였다. ASR mutations were expressed using plasmid pKJ900-ASR in E. coli strain UT5600 for proton pumping measurements and plasmid in E. coli strain β-UT for western blotting and absorption spectroscopy. It was expressed using pKJ900-ASR. β-UT cells have a plasmid containing four carotenoid biosynthesis genes [16, 28]. Transformants were incubated overnight and then diluted 1: 100 and incubated at 35 ° C. and 600 nm until 0.4 absorbance units. To obtain the protein for proton transport measurement, all- trans retinal was added with 0.2% L-arabinose until a final concentration of 5 mM. To measure retinal-generated absorption spectra, apo-proteins were derived without the addition of retinal. β-UT cells were induced with 0.2% L-arabinose and 1 mM IPTG at 35 ° C. for 3 hours.

막 소포체(Membrane endoplasmic reticulum ( membranemembrane vesiclevesicle )의 제조 Manufacturing

다양한 옵신(opsin)의 컨스트럭트를 함유하는 세포들은 1-L 플라스크내에서 엠피실린(50 ㎍/㎖) 및 클로람페니콜(34 ㎍/㎖)을 첨가한 500 ㎖의 LB에 접종하여, 자이레이토리 쉐이커(gyratory shaker)상에서 180 rpm으로 37 ℃ 유지하에 16 시간 배양하였다. 세포들을 A600nm = 0.4에서 1 mM IPTG 및 0.2 % L-아라비노오스를 첨가하여 유도(induction)하였다. 12 시간 후 세포들을 원심분리로 회수하고 150 mM NaCl을 함유하는 50 mM Tris-HCl (pH 7.0)에 재현탁하였다. 로돕신-발현된 E. coli 세포들을 4 ℃에서 소니케이션(sonication)에 의해 용해(lysis)시키고, 저속 원심분리기(2,000 × g, 15 min)로 세포 부스러기들을 제거하였다. 최종적으로, 막들을 100,000 × g, 4 ℃에서 1 시간 동안 침전시키고, 150 mM NaCl을 포함하는 50 mM Tris (pH 7.0)을 사용하여 4 ℃에서 재현탁하였다. 배양액을 추출버퍼 (1 % 소디엄 도데실 말토사이드[DM], 150 mM NaCl, 50 mM Tris-buffer [pH 7.0])안에서 4 ℃에서 4-6 시간 동안 약하게 진동하여 로돕신을 막으로부터 추출하였다. 추출된 단백질은 20,000 × g에서 원심분리한 후 상등액을 취하여 수득하였다. 수용체 단백질을 갖지 않는 막은 동일한 과정을 통해 제조하였고 대조군으로서 사용하였다. Cells containing various opsin constructs were inoculated into 500 ml of LB added with empicillin (50 μg / ml) and chloramphenicol (34 μg / ml) in a 1-L flask, and a gyrate shaker (gyratory shaker) was incubated for 16 hours at 180 rpm at 37 ℃. Cells were induced by the addition of 1 mM IPTG and 0.2% L-arabinose at A 600 nm = 0.4. After 12 hours the cells were recovered by centrifugation and resuspended in 50 mM Tris-HCl (pH 7.0) containing 150 mM NaCl. Rhodopsin-expressed E. coli cells were lysed by sonication at 4 ° C. and cell debris was removed with a low speed centrifuge (2,000 × g, 15 min). Finally, the membranes were precipitated at 100,000 × g, 4 ° C. for 1 hour and resuspended at 4 ° C. using 50 mM Tris (pH 7.0) containing 150 mM NaCl. The culture was vibrated gently at 4 ° C. for 4-6 hours in an extraction buffer (1% sodium dodecyl maltoside [DM], 150 mM NaCl, 50 mM Tris-buffer [pH 7.0]) to extract rhodopsin from the membrane. The extracted protein was obtained by centrifugation at 20,000 x g and taking the supernatant. Membranes without receptor proteins were prepared through the same procedure and used as controls.

HisHis -- 태그된Tagged 로돕신의Rhodopsin 정제 및 분리  Purification and Separation

C-말단에서 6-히스티딘 잔기를 포함하는 단백질은 Ni2 +-NTA 아가로스 비드(Qiagen, Valencia, CA, U.S.A.)를 사용하여 분리하였다. Anabaena 센서 로돕신을 포함하는 E. coli 막을 150 mM NaCl, 10 mM 이미다졸 및 50 mM Tris (pH 7.0)을 갖는 1 % DM 안에서 용해시키고 비드(beads)와 함께 4 ℃에서 16시간 동안 인큐베이션하였다. 단백질-결합된 비드를 50 mM 이미다졸로 세척하였고, 250 mM 이미다졸, 0.1 % DM, 및 50 mM Tris-버퍼로 용출시켰다. Protein comprising 6 histidine residues at the C- terminal was separated using a Ni 2 + -NTA agarose beads (Qiagen, Valencia, CA, USA ). E. coli membranes containing Anabaena sensor rhodopsin were dissolved in 1% DM with 150 mM NaCl, 10 mM imidazole and 50 mM Tris (pH 7.0) and incubated with beads for 16 hours at 4 ° C. Protein-bound beads were washed with 50 mM imidazole and eluted with 250 mM imidazole, 0.1% DM, and 50 mM Tris-buffer.

웨스턴Weston 블로팅Blotting 분석  analysis

500 ㎖ 배양액으로부터 세포 펠렛을 회수하고, 버퍼(50 mM Tris, 150 mM NaCl, pH 7.0)로 1회 세척한 후, 4,000 × g 및 4 ℃ 에서 15 분간 원심분리하였다. 세포들을 소니케이션에 의해 파쇄시켰고, 파쇄되지 않은 세포와 큰 크기의 세포 부스러기들을 저속 원심분리에 의해 제거하였으며, 세포막을 100,000 × g에서 1 시간동안 초고속원심분리를 수행하여 분리해내었다. 분리한 막을 버퍼 (50 mM Tris, 150 mM NaCl, pH 7.0)로 재현탁하였다. 20 ㎍의 단백질을 포함하는 세포 라이세이트(lysate) 및 막 준비물을 SDS-PAGE 및 웨스턴 블로팅 분석을 수행하는데 사용하였다. 1차 항체로써 항 6× His 모노클로날 항체를 1:3,000 희석하여 사용하였고, 2차 항체로써 항 마우스 IgG HRP 컨쥬게이트를 1:5,000 희석하여 사용하였다. 반응을 보이는 밴드는 ECL 웨스턴 블로팅 검출 시약을 사용하여 시각화하였 다. Cell pellets were recovered from 500 ml culture and washed once with buffer (50 mM Tris, 150 mM NaCl, pH 7.0) and then centrifuged at 4,000 × g and 4 ° C. for 15 minutes. Cells were disrupted by sonication, unbroken cells and large sized cell debris were removed by low speed centrifugation, and cell membranes were separated by ultrafast centrifugation at 100,000 × g for 1 hour. The separated membrane was resuspended in buffer (50 mM Tris, 150 mM NaCl, pH 7.0). Cell lysates and membrane preparations containing 20 μg of protein were used to perform SDS-PAGE and Western blotting assays. As a primary antibody, an anti 6 × His monoclonal antibody was diluted 1: 3,000, and as a secondary antibody, an anti mouse IgG HRP conjugate was diluted 1: 5,000. Responsive bands were visualized using ECL western blotting detection reagents.

프로톤 Proton 펌핑Pumping 측정  Measure

세포의 프로톤 펌핑을 측정하기 위해, Anabaena 센서 로돕신을 발현하는 E. coli 세포를 4 ℃에서 5,000 rpm으로 15분간 원심분리하여 펠렛으로 분리한 후, 상온에서 비버퍼화 용액 (10 mM NaCl, 10 mM MgSO4·7HO2, 100 mM CaCl2)으로 2회 세척하였다 [29]. 샘플을 와이드-밴드 간섭 및 열-보호 (CuSO4 및 유리) 필터와 조합한 150-왓트 텅스텐 할로겐 램프를 사용하여 500± 20 nm에서 100 왓트/m2 로 광을 조사하였다. pH는 컴퓨터화된 Horiba F51 pH 미터로 모니터링하였다. To measure proton pumping of cells, E. coli cells expressing Anabaena sensor rhodopsin were centrifuged at 5,000 rpm for 15 minutes at 4 ° C and then pelleted, followed by unbuffered solution (10 mM NaCl, 10 mM) at room temperature. MgSO 4 .7HO 2 , 100 mM CaCl 2 ) was washed twice [29]. The sample was irradiated at 100 watts / m 2 at 500 ± 20 nm using a 150-watt tungsten halogen lamp in combination with a wide-band interference and heat-protection (CuSO 4 and glass) filter. pH was monitored with a computerized Horiba F51 pH meter.

흡수 분광 분석(Absorption spectroscopy ( AbsorptionAbsorption SpectroscopySpectroscopy ) )

E. coli 막에서 레티날-생성 흡수를 측정하기 위해 상위 분광기(difference spectroscopy)를 사용하였다. 레티날 용액을 첨가한 후에, 스펙트럼을 Shimadzu 2450 스펙트로미터로 매 3 분 마다 기록하였고, 이 후에는 추가적인 흡광 변화(absorption change)가 발생하지 않았다. 상이한 pH 값에서의 λmax 를 야생형 및 돌연변이형의 Anabaena로 재구성한 스펙트럼에 따라 측정하였다. 상이한 pH 값에서 알칼리성 및 산성 형태의 혼합형태의 최대 흡수지점은 두가지 형태의 상대적인 농도에 선형적으로 의존하지 않았는데, 이는 이들 두 스펙트럼의 상이한 구조 및 반-밴드(half-bands) 때문이었다. Difference spectroscopy was used to measure retinal-produced absorption in E. coli membranes. After addition of the retinal solution, the spectra were recorded every 3 minutes with a Shimadzu 2450 spectrometer, after which no additional absorption change occurred. Λ max at different pH values was measured according to spectra reconstituted with wild and mutant Anabaena . The maximum absorption point of the mixed form of the alkaline and acidic forms at different pH values did not linearly depend on the relative concentrations of the two forms because of the different structures and half-bands of these two spectra.

실험 결과Experiment result

내부 및 외부 Inside and outside 레티날의Retinal 존재하에서 다양한  Various in the presence 로돕신의Rhodopsin 생성  produce

다수의 고세균-타입의 로돕신이 고세균(Archaea), 진정세균(Eubacteria) 및 진핵세포로부터 최근 확인되었다[25] (도 1 참조). 이온 수송 및 센서 기능에 대해 연구가 수행된 몇 가지의 세균 로돕신을 나타내었다. 7개의 막통과 나선형태 도메인을 아미노산 잔기 서열 상동성에 근거하여 정렬하였다. 이들 세균 로돕신의 기능을 이해하기 위해 E. coli에서 이들 7개-막통과 단백질을 과별현시키려 하였다. Dr. Kamo’s 그룹이 E. coli에서 세균 로돕신을 과발현시키는데 최초로 성공하였다 [22]. 본 발명자들은 all-trans 레티날을 외부적으로 추가하거나 또는 내재적으로 합성시켜 다양한 옵신(opsin)을 E. coli 내에서 발현시켰고, Ni2 +-NTA 레진을 사용하여 비-변성화 세정제(DM)내에서 색소를 정제하였다. E. coli 내에서 레티날 신타아제(retinal synthase)와 공동 발현시킨 경우 또는 레티날을 외부에서 첨가한 경우에 인 비보에서의 로돕신에 대한 재생산 효과를 관찰하였다. 마우스 레티날 신타아제를 공동발현시키는 것은 미생물 로돕신의 생성을 많이 증가시키지는 못하였는데, 이는 웨스턴 면역블로팅으로 확인하였다(도 2). A number of archaea-type rhodopsin has recently been identified from Archaea, Eubacteria and eukaryotic cells [25]. Several bacteria rhodopsin have been shown to have been studied for ion transport and sensor function. Seven transmembrane helical domains were aligned based on amino acid residue sequence homology. To understand the function of these bacteria rhodopsin, we tried to overexpress these seven-membrane proteins in E. coli . Dr. Kamo's group was the first to succeed in overexpressing the bacterium rhodopsin in E. coli [22]. We have expressed various opsin in E. coli by externally adding or intrinsically synthesizing all- trans retinal, and using Ni 2 + -NTA resin to de-modify detergent (DM) The pigment was purified within. Reproduction effects on rhodopsin in vivo were observed when co-expressed with retinal synthase in E. coli or when retinal was added externally. Co-expression of mouse retinal synthase did not significantly increase the production of microorganism rhodopsin, which was confirmed by Western immunoblotting (FIG. 2).

본 발명의 컨스트럭트에서, 면역활성 에피토프를 제공하기 위해 6개-히스티딘 잔기를 코딩하는 서열을 C-말단에 포함시켰다. 웨스턴 분석은 ASRs 돌연변이 모 두가 발현되었고 돌연변이들의 발현 수준이 야생형의 것과는 차이가 있다는 것을 나타내었다(P206E 돌연변이에서는 증가되었고, S86D, P206D/S86D 돌연변이에서는 감소되었다; 데이터는 제시하지 않음). 또한, BPR로부터 N-말단의 18 아미노산 리더 서열이 존재하는 경우에 발현수준은 증가하였다. Anabaena 센서 로돕신의 경우에 단백질 발현 수준은 리더 서열의 부존재하에서 외부 레티날을 사용한 경우에 최대치를 나타내었다(도 2). In the construct of the invention, a sequence encoding the 6-histidine residue was included at the C-terminus to provide an immunoactive epitope. Western analysis showed that both ASRs mutations were expressed and that the expression levels of the mutations were different from those of the wild type (increased in P206E mutations and decreased in S86D, P206D / S86D mutations; data not shown). In addition, the expression level increased when there was an N-terminal 18 amino acid leader sequence from BPR. Protein expression levels in the case of Anabaena sensor rhodopsin were maximal with external retinal in the absence of the leader sequence (FIG. 2).

흡수 스펙트럼 및 Absorption spectrum and ASRASR of pKapKa 값의 측정  Measurement of values

Anabaena 센서 로돕신 (ASR) 단백질은 다른 단백질들과 높은 동일성을 나타낸다. ASR에서의 시프 염기(Schiff-base) 프로톤 수용자는 프로톤 펌프의 것과 동일하지만, 프로톤 도너(BR에서 D96)은 세린(serine) 잔기로 교체되어 있다. ASR은 시프 염기(Schiff-base)-라이신(K210)의 1-나선 회전 앞에서 프롤린(P206)을 갖는데, 이는 다른 공지된 미생물 로돕신 모두에서 발견되는 아스파틸 잔기를 대체하는 것이다. Anabaena sensor rhodopsin (ASR) protein shows high identity with other proteins. The Schiff-base proton acceptor in ASR is identical to that of the proton pump, but the proton donors (D96 in BR) have been replaced with serine residues. ASR has proline (P206) before the 1-helical rotation of the Schiff-base-lysine (K210), which replaces aspartyl residues found in all other known microbial rhodopsin.

본 발명자들은 E. coli 에서 6-히스티딘 태그를 갖는 야생형 및 모든 돌연변이 Anabaena 센서 로돕신을 발현시키고 Ni2 +-NTA 레진을 사용하여 도데실말토피란노사이드(dodecylmaltopyranoside)에서 로돕신을 정제하였다. 이전의 데이터에서 정제된 야생형 ASR 단백질의 흡수 스펙트럼은 전형적인 로돕신 밴드 폭(~100-nm 반 밴드 폭)을 나타내었고, 본 발명에서는 545 nm에서 단일 피크를 가졌다(도 3). 프 로톤 펌핑 로돕신에 대한 참조로써 PR의 흡수 스펙트럼을 나타내었다(도 3). 도 2 및 도 3은 상온에서 측정한 야생형(WT) ASR, 및 P206D, S86D, S86S/P206D 돌연변이 ASR의 가시선 흡수 스펙트럼을 나타낸다. The inventors have purified rhodopsin from wild-type and the expression of all mutant rhodopsin and Anabaena sensor using a Ni 2 + -NTA resin dodecyl silmal indeno furnace side (dodecylmaltopyranoside) having a 6-histidine tag in E. coli. Absorption spectra of the wild type ASR protein purified from the previous data showed a typical rhodopsin band width (˜100-nm half band width) and had a single peak at 545 nm in the present invention (FIG. 3). Absorption spectra of PR are shown as reference to proton pumping rhodopsin (FIG. 3). 2 and 3 show the visible absorption spectra of wild type (WT) ASR and P206D, S86D, S86S / P206D mutant ASR measured at room temperature.

pH 7.0 에서 S86D 돌연변이로부터 얻은 흡수 스펙트럼은 야생형 ASR의 것과 유사하였다. 그러나, P206D의 최대흡수파장은 야생형의 것과 비교하여 블루-쉬프트(blue-shift)되었다. 스펙트럼 변이의 pKa를 결정하기 위해 도데실말토피란노사이드(dodecylmaltopyranoside, DM)에서 야생형과 돌연변이 ASRs로부터 pH-적정 곡선을 얻었다. 야생형 ASR에서 pH 4.0 내지 11.0 사이에서 스펙트럼 변화는 잔토로돕신(xanthorhodopsin) 처럼 매우 작았고[1, 11], P206D는 pH 4.0 및 pH 11.0 사이에서 어떠한 스펙트럼 변화도 나타내지 않았다(도 4). The absorption spectrum obtained from the S86D mutation at pH 7.0 was similar to that of wild type ASR. However, the maximum absorption wavelength of P206D was blue-shifted compared to that of the wild type. PH-titration curves were obtained from wild-type and mutant ASRs in dodecylmaltopyranoside (DM) to determine pKa of spectral variation. The spectral change between pH 4.0 and 11.0 in wild type ASR was as small as xanthorhodopsin [1, 11] and P206D did not show any spectral change between pH 4.0 and pH 11.0 (FIG. 4).

프로톤 Proton 펌핑의Of pumping 측정  Measure

ASR는 E. coli에서 발현되었을 때 검출가능한 정도의 프로톤 펌핑을 나타내지는 않았다. 본 발명자들은 ASR과 프로톤 펌프 사이의 레티날과의 접촉에서의 차이점이 중요한 것으로 가정하였고, 2-단계 메가 프라이머 PCR 방법에 의해 86 (프로톤 도너) 및 206 위치가 변화된 ASR 돌연변이 단백질을 제조하였다. Anabaena 센서 로돕신은 E. coli 막에서 프로톤을 전달하지 못한다고 보고되었다. 86 또는 206 위치가 프로톤 펌핑에 중요하다면, 중요한 프로톤 펌핑이 이들 돌연변이 단백질들에서 검출되어야 한다. ASR did not show detectable proton pumping when expressed in E. coli . The inventors assumed that the difference in contact with the retinal between the ASR and the proton pump was important, and produced ASR mutant proteins that changed 86 (proton donor) and 206 positions by a two-step mega primer PCR method. Anabaena sensor rhodopsin has not been reported to deliver protons in E. coli membranes. If the 86 or 206 position is important for proton pumping, important proton pumping should be detected in these mutant proteins.

본 발명자들은 E. coli 스패로플라스트(sphaeroplast)내에서 활성을 보기 위 해 프로테오로돕신(proteorhodopsin)을 대조군으로서 사용하였다. E. coli 스패로플라스트내에서 빛에 의해 구동되는 프로톤 펌프 프로테오로돕신을 포함하는 세포내에서의 빛에 의해 pH 감소가 유도되었기 때문에 프로톤이 방출되었음은 분명하였다. P206D, S86D 및 P206D/S86D 돌연변이들을 포함하는 세포들은 야생형 ASR과 같이 프로톤을 방출하지 않았다(도 5). E. coli 막에서, 프로톤 유입은 에너지화된 E. coli 세포의 기존 전기화학적 전위에 의해 발생된다. m-클로로-카르보닐시아나이드-페닐하이드라진(chloro-carbonylcyanide-phenylhydrazine, CCCP) 화합물은 막을 통과하여 프로톤 기울기를 없애버린다. 본 발명자들은 E. coli 세포내에서 CCCP를 가지고 프로톤 유입을 검사하였고, 그 결과는 다른 것들과 유사하였다(데이타 제시하지 않음). We used proteorhodopsin as a control to see activity in E. coli sparrowoplast. It was evident that protons were released because the pH reduction was induced by light in cells containing a proton pump proteodopsin driven by light in E. coli sparrowplast. Cells containing P206D, S86D and P206D / S86D mutations did not release protons like wild type ASR (FIG. 5). In E. coli membranes, proton influx is generated by the existing electrochemical potential of energized E. coli cells. The m-chloro-carbonylcyanide-phenylhydrazine (CCCP) compound passes through the membrane to eliminate the proton gradient. We examined proton influx with CCCP in E. coli cells and the results were similar to others (data not shown).

E. E. coli coli 으로부터From 레티날Retinal -재구성한 Reorganized ASRASR 막의 흡수 스펙트럼  Absorption spectrum of membrane

All-trans 레티날을 야생형 및 P206E 돌연변이 ASR가 보강된 E. coli 막으로부터 준비한 하이드록실아민 표백 막에 첨가하였다. 흡수 스펙트럼을 매 5 분 간격으로 모니터링하였다. 5 분에서, 550 nm (WT) 및 524 nm (P206E) 밴드에서의 피크가 분명히 나타났고 인큐베이션 동안 증가하였다. 백색광을 조사한 후, 최대 흡수파장은 야생형(WT)에서 540 nm로, P206E 돌연변이에서는 500nm로 이동하였다. ASR 단백질내에서 13-cis 형태와 13-cis 레티날의 all-trans 로의 회복이 느린 것처럼 보였으며, 평형 형태[23]의 하나를 검출한 것이다. All- trans retinal was added to hydroxylamine bleaching membranes prepared from E. coli membranes supplemented with wild-type and P206E mutant ASR. Absorption spectra were monitored every 5 minutes. At 5 minutes, peaks in the 550 nm (WT) and 524 nm (P206E) bands were evident and increased during incubation. After irradiation with white light, the maximum absorption wavelength shifted to 540 nm in wild type (WT) and 500 nm in P206E mutant. It showed in the ASR proteins as recovered to 13- cis form and 13- cis-retinal in the all- trans slow, but the detection of one of the flat type [23].

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. Having described the specific part of the present invention in detail, it is apparent to those skilled in the art that the specific technology is merely a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereto. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and equivalents thereof.

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도 1은 다양한 미생물 로돕신의 아미노산 서열을 비교 정렬한 것을 나타낸 것이다. Halobacterium salinarum, Haloterrigena, Natronomonas pharaonis (NpSRII), Anabaena, Guillardia,Gloeobacter로부터 얻어진 옵신들 사이의 1차적 서열 비교를 나타내었다. 보존된 잔기들은 검은색 박스로 표시하였다. (HsBR, H. salinarum 박테리오 로돕신(bacteriorhodopsin); NpSRII, Natronomonas pharaonis 센서 로돕신(sensory rhodopsin)Ⅱ; HsSRI, H. salinarum 센서 로돕신 I; MBP, Monterey Bay Proteorhodopsin; GR, Gloeobacter 로돕신; ASR, Anabaena 센서 로돕신; NR, Neurospora 로돕신; LR, Leptosphaeria 로돕신; CSRA, Chlamydomonas 센서 로돕신 A; GtSR, Guillardia theta 센서 로돕신). 돌연변이 위치(S86 및 P206)는 나선(helix) C 및 F에 존재한다. 나선 E에 존재하는 잔기 KWG는 균류(fungal) 로돕신에서 가장 잘 보존된 부분이다. 1 shows a comparative arrangement of the amino acid sequences of various microbial rhodopsin. Primary sequence comparisons between opsin obtained from Halobacterium salinarum, Haloterrigena, Natronomonas pharaonis (NpSRII), Anabaena, Guillardia, and Gloeobacter are shown. Conserved residues are indicated by black boxes. (HsBR, H. salinarum bacteriophage rhodopsin (bacteriorhodopsin); NpSRII, Natronomonas pharaonis sensor rhodopsin (sensory rhodopsin) Ⅱ; HsSRI, H. salinarum sensor rhodopsin I; MBP, Monterey Bay Proteorhodopsin; GR, Gloeobacter rhodopsin; ASR, Anabaena sensor rhodopsin; NR, Neurospora rhodopsin; LR, Leptosphaeria rhodopsin; CSRA, Chlamydomonas sensor rhodopsin A; GtSR, Guillardia theta sensor rhodopsin). Mutation sites (S86 and P206) are present in helices C and F. The residue KWG present in helix E is the best conserved part of the fungal rhodopsin.

도 2는 his-태그된(tagged) 다양한 미생물 로돕신의 웨스턴 블로팅 분석을 나타낸 것이다. E. coli β/UT5600 균주는 β-카로틴 합성용 pORANGE 플라스미드를 E. coli UT5600 균주안으로 형질전환시켜 제조하였다. pKJ900 플라스미드는 다양한 옵신 유전자와, β-카로틴으로부터 all-trans 레티날을 생성할 수 있는 마우스 디옥시게나아제(dioxygenase) 유전자를 포함한다. 야생형(WT) 및 리더(leader) 서열을 포함하는 로돕신 유전자를 pKJ900안으로 삽입하여, 단백질 발현을 위해 E. coli β/UT 안으로 형질전환시켰다. 몇 개의 상이한 플라스미드에서 태그된 로돕 신을 발현하는 E. coli UT5600 균주로부터의 막 단백질의 면역분석은 항-His 항체로 수행하였다. 막 단백질들은 15 % SDS-PAGE에 의해 분리하였고, PVDF 막상으로 전달시키고 6 X His-태그에 대한 항체를 이용하여 검사하였다. 레인 A, B는 외부로부터 추가된 레티날 시스템을 포함한다; 레인 C, D는 내부적으로 생합성된 레티날을 포함한다; 레인 A, C는 각각의 로돕신을 포함한다; 레인 B, D는 BPR로부터 유래된 19 리더 서열 ATGGGTAAATTATTACTGATATTAGGTAGTGCTATTGCACTTCCATCATTTGCT(MGKLLLILGSAIALPSFA)을 포함하는 각각의 로돕신을 포함한다. 각 로돕신은 SRI, SRⅡ, NR, ASR, 및 GtSR이다. 2 shows Western blotting analysis of his-tagged various microorganisms of rhodopsin. E. coli β / UT5600 strain was prepared by transforming pORANGE plasmid for β-carotene synthesis into E. coli UT5600 strain. The pKJ900 plasmid contains various opsin genes and a mouse dioxygenase gene capable of producing all- trans retinal from β-carotene. Rhodopsin genes, including wild-type (WT) and leader sequences, were inserted into pKJ900 and transformed into E. coli β / UT for protein expression. Immunoassay of membrane proteins from E. coli UT5600 strains expressing tagged rhodopsin in several different plasmids was performed with anti-His antibodies. Membrane proteins were separated by 15% SDS-PAGE, transferred onto PVDF membrane and examined using antibody against 6 × His-tag. Lanes A and B include retinal systems added from outside; Lanes C and D comprise internally biosynthesized retinal; Lanes A, C include each rhodopsin; Lanes B, D comprise each rhodopsin comprising 19 leader sequence ATGGGTAAATTATTACTGATATTAGGTAGTGCTATTGCACTTCCATCATTTGCT (MGKLLLILGSAIALPSFA) derived from BPR. Each rhodopsin is SRI, SRII, NR, ASR, and GtSR.

도 3은 야생형(WT) 및 돌연변이 ASRs의 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다. Anabaena 센서 로돕신(ASR)의 정제된 C-말단 His-태그된 야생형 및 위치-지시된(site-directed) 돌연변이 단백질의 400-750 nm의 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다. 정제한 야생형 ASR의 흡수 스펙트럼은 전형적인 로돕신 밴드너비(bandwidth)을 갖고 545 nm에서 단일의 최대 피크를 나타내고, 여러 돌연변이들은 야생형과 유사한 패턴을 나타내었다. 그러나, 각 돌연변이들은 서로 다른 최대흡수파장(absorption maximum)를 나타내었다. 레티날-결합 포켓에서의 P206D 및 S86D/P206D 돌연변이의 최대 흡수파장이 블루-쉬프트(blue-shift)된 것을 알 수 있다. 3 is a diagram showing the absorption spectra of wild type (WT) and mutant ASRs. Absorbance spectra of 400-750 nm of purified C-terminal His-tagged wild type and site-directed mutant proteins of Anabaena sensor Rhodopsin (ASR) are shown. Absorption spectra of the purified wild-type ASR had a typical rhodopsin bandwidth, showing a single peak at 545 nm, and several mutations showed a pattern similar to wild-type. However, each of the mutations showed a different absorption maximum. It can be seen that the maximum absorption wavelengths of the P206D and S86D / P206D mutations in the retinal-binding pockets are blue-shifted.

도 4는 상이한 pH에서 다양한 돌연변이 로돕신의 흡수스펙트럼을 보여주는 그패프이다. 정제된 C-말단 His-태그된 Anabaena 센서 로돕신(ASR)의 야생형 및 돌연변이의 400-800 nm의 흡수 스펙트럼을 나타낸다. 정제된 ASR의 흡수스펙트럼을 상이한 pH들에서 측정하였다. 각각의 최대 흡수 파장의 변화는 4 nm 보다 작았다. 스펙트럼으로부터의 피크 파장을 더욱 잘 관찰하도록, 단백질의 양을 달리하여 측정하였다. 4 is a graph showing the absorption spectrum of various mutant rhodopsin at different pHs. Absorption spectra of 400-800 nm of wild type and mutant of purified C-terminal His-tagged Anabaena sensor rhodopsin (ASR) are shown. The absorption spectrum of purified ASR was measured at different pHs. The change in each maximum absorption wavelength was less than 4 nm. Different amounts of protein were measured to better observe the peak wavelength from the spectrum.

도 5는 소포체(vesicle)내에서 야생형 및 돌연변이 ASRs의 광-유도된(light- induced) 프로톤 펌핑을 나타내는 도면이다. 프로테오로돕신(proteorhodopsin, MBP)은 프로톤 펌핑 활성에 대한 대조군으로 사용하였다. 440 nm 컷오프 필터의 존재하에서 매 60초 마다 광을 조사하였다. 암 적응(dark adaptation)을 위해, 단백질을 암 조건하에서 2 분간 유지하였다. 펌핑 활성은 pH 전극을 사용하여 각 돌연변이의 스패로플라스트(sphaeroplast) 현탁액내에서 pH를 변화시키면서 측정하였다. FIG. 5 shows light-induced proton pumping of wild-type and mutant ASRs in vesicles. Proteorhodopsin (MBP) was used as a control for proton pumping activity. Light was irradiated every 60 seconds in the presence of a 440 nm cutoff filter. For dark adaptation, the protein was kept for 2 minutes under dark conditions. Pumping activity was measured using a pH electrode with varying pH in the speroplast suspension of each mutant.

도 6은 WT ASR 및 P206E로부터 레티날-재구성한 막의 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다. all-trans 레티날을 UT5600으로부터의 3 ㎖ 하이드록실아민으로 표백한(bleached) 막에 첨가하였다. 암 조건하에서 재구성을 마친 후에 광-적응된 형태를 관찰하기 위해 광을 조사하였다. 야생형 ASR 및 이의 돌연변이형 막안으로 all-trans 레티날을 삽입시켜 재구성한 것에 대해 스펙트럼의 시간 연속을 나타내었다.6 shows absorption spectra of retinal-reconstituted membranes from WT ASR and P206E. An all- trans retinal was added to the membrane bleached with 3 ml hydroxylamine from UT5600. After reconstruction under dark conditions, light was irradiated to observe the light-adapted morphology. The time series of the spectrum is shown for reconstitution by insertion of all- trans retinal into wild type ASR and its mutant membrane.

도 7은 Pro206Glu 및 Ser86Asp 돌연변이에 대한 3D 예측도이다. ASR의 X-레이 결정학적 구조 모델을 나타낸 것이다 (PDB entry 1XIO). 수소 결합 네트워크는 Swiss-Pdb 뷰어를 사용하여 나타내었다. 상측부와 하측부는 각각 세포외(extracellular) 및 세포내(cytoplasmic) 부분을 나타낸다. 각 돌연변이 잔기는 에너지 최소화 프로그램에 의해 최적화하여 도입하였고 야생형 ASR 구조와 함께 오버랩하였다. 노란색 분자는 레티날을 나타내며, 숫자는 수소 결합 거리를 옹스트롬(angstroms)으로 나타낸 것이다. Pro206Glu 돌연변이의 구조는 음으로 하전된 측쇄가 레티날의 환경을 변화시켰다는 것을 나타내었다. 그러나, Ser86Asp 모델 구조는 이 잔기가 레티날 로부터 멀리 떨어진 것이라는 것을 보여준다. 7 is a 3D predictive diagram for Pro206Glu and Ser86Asp mutations. An X-ray crystallographic structural model of ASR is shown (PDB entry 1XIO). Hydrogen bonding network was shown using Swiss-Pdb viewer. The upper and lower portions represent extracellular and cytoplasmic portions, respectively. Each mutant residue was introduced by optimization by energy minimization program and overlapped with wild type ASR structure. Yellow molecules represent retinal and numbers represent hydrogen bond distances in angstroms. The structure of the Pro206Glu mutant showed that the negatively charged side chains changed the environment of the retinal. However, the Ser86Asp model structure shows that this residue is far from the retinal.

<110> Sogang University Corporation <120> Mutant Anabaena Sensory Rhodopsin with Altered Absorption Maximum <160> 2 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 261 <212> PRT <213> Anabaena sp. <400> 1 Met Asn Leu Glu Ser Leu Leu His Trp Ile Tyr Val Ala Gly Met Thr 1 5 10 15 Ile Gly Ala Leu His Phe Trp Ser Leu Ser Arg Asn Pro Arg Gly Val 20 25 30 Pro Gln Tyr Glu Tyr Leu Val Ala Met Phe Ile Pro Ile Trp Ser Gly 35 40 45 Leu Ala Tyr Met Ala Met Ala Ile Asp Gln Gly Lys Val Glu Ala Ala 50 55 60 Gly Gln Ile Ala His Tyr Ala Arg Tyr Ile Asp Trp Met Val Thr Thr 65 70 75 80 Pro Leu Leu Leu Leu Ser Leu Ser Trp Thr Ala Met Gln Phe Ile Lys 85 90 95 Lys Asp Trp Thr Leu Ile Gly Phe Leu Met Ser Thr Gln Ile Val Val 100 105 110 Ile Thr Ser Gly Leu Ile Ala Asp Leu Ser Glu Arg Asp Trp Val Arg 115 120 125 Tyr Leu Trp Tyr Ile Cys Gly Val Cys Ala Phe Leu Ile Ile Leu Trp 130 135 140 Gly Ile Trp Asn Pro Leu Arg Ala Lys Thr Arg Thr Gln Ser Ser Glu 145 150 155 160 Leu Ala Asn Leu Tyr Asp Lys Leu Val Thr Tyr Phe Thr Val Leu Trp 165 170 175 Ile Gly Tyr Pro Ile Val Trp Ile Ile Gly Pro Ser Gly Phe Gly Trp 180 185 190 Ile Asn Gln Thr Ile Asp Thr Phe Leu Phe Cys Leu Leu Pro Phe Phe 195 200 205 Ser Lys Val Gly Phe Ser Phe Leu Asp Leu His Gly Leu Arg Asn Leu 210 215 220 Asn Asp Ser Arg Gln Thr Thr Gly Asp Arg Phe Ala Glu Asn Thr Leu 225 230 235 240 Gln Phe Val Glu Asn Ile Thr Leu Phe Ala Asn Ser Arg Arg Gln Gln 245 250 255 Ser Arg Arg Arg Val 260 <210> 2 <211> 783 <212> DNA <213> Anabaena sp. <400> 2 atgaatttgg agagtctttt acactggatt tatgttgcgg gaatgacaat tggtgcattg 60 cacttttggt cacttagtcg aaatccgcgc ggtgttcccc agtacgaata ccttgtggcg 120 atgtttattc ccatttggtc gggactagcc tatatggcaa tggcaataga ccaaggtaaa 180 gttgaagcgg ctgggcaaat tgcccactat gcccgttata ttgattggat ggtgacaaca 240 ccattattac tgctatctct ttcttggaca gcgatgcagt ttatcaaaaa agattggaca 300 ctcattggtt ttttgatgag tacccagata gttgtaatta cctctgggtt aatcgcagat 360 ttatctgagc gcgattgggt gagatatcta tggtatatct gcggggtttg cgcttttctc 420 attattcttt ggggtatttg gaatccattg cgcgccaaaa ccagaactca aagttcagaa 480 ctagcgaact tatacgataa gcttgttact tattttacag tgctttggat aggctaccca 540 atagtctgga ttattggccc tagtggtttt ggctggataa atcaaactat agatacattt 600 ttgttttgtc tactggattt tttctccaag gttggattta gttttctgga tttacacggc 660 ttacgtaatc tcaatgattc ccgccaaact actggcgatc gctttgcgga aaatacttta 720 cagtttgtag aaaatattac attatttgct aactcacgac ggcaacaatc acgcagaaga 780 gtt 783 <110> Sogang University Corporation <120> Mutant Anabaena Sensory Rhodopsin with Altered Absorption Maximum <160> 2 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 261 <212> PRT <213> Anabaena sp. <400> 1 Met Asn Leu Glu Ser Leu Leu His Trp Ile Tyr Val Ala Gly Met Thr   1 5 10 15 Ile Gly Ala Leu His Phe Trp Ser Leu Ser Arg Asn Pro Arg Gly Val              20 25 30 Pro Gln Tyr Glu Tyr Leu Val Ala Met Phe Ile Pro Ile Trp Ser Gly          35 40 45 Leu Ala Tyr Met Ala Met Ala Ile Asp Gln Gly Lys Val Glu Ala Ala      50 55 60 Gly Gln Ile Ala His Tyr Ala Arg Tyr Ile Asp Trp Met Val Thr Thr  65 70 75 80 Pro Leu Leu Leu Leu Ser Leu Ser Trp Thr Ala Met Gln Phe Ile Lys                  85 90 95 Lys Asp Trp Thr Leu Ile Gly Phe Leu Met Ser Thr Gln Ile Val Val             100 105 110 Ile Thr Ser Gly Leu Ile Ala Asp Leu Ser Glu Arg Asp Trp Val Arg         115 120 125 Tyr Leu Trp Tyr Ile Cys Gly Val Cys Ala Phe Leu Ile Ile Leu Trp     130 135 140 Gly Ile Trp Asn Pro Leu Arg Ala Lys Thr Arg Thr Gln Ser Ser Glu 145 150 155 160 Leu Ala Asn Leu Tyr Asp Lys Leu Val Thr Tyr Phe Thr Val Leu Trp                 165 170 175 Ile Gly Tyr Pro Ile Val Trp Ile Ile Gly Pro Ser Gly Phe Gly Trp             180 185 190 Ile Asn Gln Thr Ile Asp Thr Phe Leu Phe Cys Leu Leu Pro Phe Phe         195 200 205 Ser Lys Val Gly Phe Ser Phe Leu Asp Leu His Gly Leu Arg Asn Leu     210 215 220 Asn Asp Ser Arg Gln Thr Thr Gly Asp Arg Phe Ala Glu Asn Thr Leu 225 230 235 240 Gln Phe Val Glu Asn Ile Thr Leu Phe Ala Asn Ser Arg Arg Gln Gln                 245 250 255 Ser Arg Arg Arg Val             260 <210> 2 <211> 783 <212> DNA <213> Anabaena sp. <400> 2 atgaatttgg agagtctttt acactggatt tatgttgcgg gaatgacaat tggtgcattg 60 cacttttggt cacttagtcg aaatccgcgc ggtgttcccc agtacgaata ccttgtggcg 120 atgtttattc ccatttggtc gggactagcc tatatggcaa tggcaataga ccaaggtaaa 180 gttgaagcgg ctgggcaaat tgcccactat gcccgttata ttgattggat ggtgacaaca 240 ccattattac tgctatctct ttcttggaca gcgatgcagt ttatcaaaaa agattggaca 300 ctcattggtt ttttgatgag tacccagata gttgtaatta cctctgggtt aatcgcagat 360 ttatctgagc gcgattgggt gagatatcta tggtatatct gcggggtttg cgcttttctc 420 attattcttt ggggtatttg gaatccattg cgcgccaaaa ccagaactca aagttcagaa 480 ctagcgaact tatacgataa gcttgttact tattttacag tgctttggat aggctaccca 540 atagtctgga ttattggccc tagtggtttt ggctggataa atcaaactat agatacattt 600 ttgttttgtc tactggattt tttctccaag gttggattta gttttctgga tttacacggc 660 ttacgtaatc tcaatgattc ccgccaaact actggcgatc gctttgcgga aaatacttta 720 cagtttgtag aaaatattac attatttgct aactcacgac ggcaacaatc acgcagaaga 780 gtt 783  

Claims (5)

서열목록 제 1 서열에서 206번째 아미노산 Pro 이 Asp 로 치환된 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질. An Anabaena sensor rhodopsin mutant protein in which 206th amino acid Pro is substituted with Asp in SEQ ID NO: 1. 상기 제 1 항의 Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질을 인코딩하는 핵산 분자. A nucleic acid molecule encoding the Anabaena sensor rhodopsin mutant protein of claim 1. 제 2 항에 있어서, 상기 핵산 분자는 서열목록 제 2 서열인 것을 특징으로 하는 핵산 분자. The nucleic acid molecule of claim 2, wherein the nucleic acid molecule is SEQ ID NO: 2 sequence. (a) Anabaena 센서 로돕신 돌연변이 단백질을 인코딩하는 상기 제 2 항의 핵산 분자 및 (b) 상기 핵산 분자에 작동적으로 결합된(operatively linked) 프로모터를 포함하는 벡터.A vector comprising the nucleic acid molecule of claim 2 encoding (a) an Anabaena sensor rhodopsin mutant protein and (b) a promoter operatively linked to the nucleic acid molecule. 상기 제 4 항의 벡터를 포함하는 형질전환체. A transformant comprising the vector of claim 4.
KR1020070075677A 2007-07-27 2007-07-27 Mutant Anabaena Sensory Rhodopsin with Altered Absorption Maximum KR100941882B1 (en)

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