Boosting Light-driven Proton Transport : The Power of Rhodopsin-Copper ion Interaction
로돕신-구리 이온 상호작용의 힘에 의한 빛 매개 수소 이온 수송 촉진
- 주제어 (키워드) Microbial pumping rhodopsin , NoaR , Light-driven proton pump , Hypersaline Lake , Copper ion , Bioleaching
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 정광환
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 생명과학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000081742
- UCI I804:11029-000000081742
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
미생물 펌핑 로돕신(rhodopsin)은 빛 에너지 흡수와 미량 원소 획득을 돕는 광흡수 이온 수송체다. 그러나 로돕신과 상호 작용하는 이온의 범위와 생물학적 역할은 완전히 설명되지 않고 있다. 본 연구에서는 남극에서 금속이 풍부한 염호에 서식하는 박테리아 Nocardioides aquaticus 의 프로테오로돕신 NoaR과 금속 이온간 상호 작용을 조사했다. In vivo 및 In vitro 실험 결과, 빛에 의해 구동되는 양성자 수송체인 야생형 NoaR 은 금속 이온 중 구리 이온(Cu2+)과 가장 높은 친화력(KD = 13.2 μM)으로 결합하고, 그 결과로 NoaR 의 양성자 수송능력이 최대 17.6배까지 증가했다. 그리고 구리 이온에 의해 NoaR 의 pKa 는 5.452 에서 5.329 로 낮아졌고, NoaR의 중합화(oligomerization)가 촉진되었다. 이러한 효과는 AlphaFold 3을 통해 생성된 NoaR 돌연변이체(C64T/H92F)와 다른 녹색광 흡수 로돕신에서 현저히 감소했다. 또한, 구리 이온과 빛에 의해서 숙주 세포 (the native host)의 NoaR 유전자 발현이 증가되었다. 이러한 발견은 금속 이온 반응성 미생물 로돕신에 대한 통찰력을 확장하고 극한 환경 조건에서 세포 생존과 구리 이온화 및 흡수에 있어 NoaR의 잠재적인 생태학적 역할을 시사한다. 또한, 구리 이온이 없는 상태에서도 강력한 양성자 수송능력을 보이는 NoaR 은 생물 침출(bioleaching) 및 광유전학(optogenetics)에 대한 잠재적 응용 가능성이 강조된다.
more초록 (요약문)
Microbial pumping rhodopsins are light-absorbing ion transporters that aid in light energy absorption and trace element uptake. However, the range and biological roles of ions that interact with rhodopsins are not fully understood. This study investigates the metal ion interactions of the proteorhodopsin NoaR from Nocardioides aquaticus, a bacterium from a metal-rich hypersaline lake in Antarctica. In vivo and in vitro experiments show that wild-type NoaR, a light-driven proton pump, binds copper ions (Cu2+) with the highest affinity (KD = 13.2 μM) among metal ions, increasing its pumping activity up to 17.6-fold. Cu2+ causes a lower pKa (5.452 to 5.329) and promotes the oligomerization of NoaR. These effects are significantly reduced in NoaR mutants (C64T/H92F) generated via AlphaFold 3 and in green-light absorbing rhodopsin. In addition, Cu2+ and light synergistically upregulate the NoaR gene in its native host. These findings expand my insight into metal-responsive microbial rhodopsins and suggest a potential ecological role for NoaR in cell survival and copper ionization and uptake under extreme environmental conditions. Moreover, the robust proton-pumping activity of NoaR, even in the absence of Cu2+, highlights its potential applications in bioleaching and optogenetics.
more목차
초록 1
Abstract 3
Introduction 5
Materials & Methods 9
Phylogenetic tree and sequence alignment 9
Bacterial culture 10
Plasmid preparation 11
Protein expression 14
Protein purification 14
Light-driven pumping assay 17
Retinaloxime measurement 19
Absorption spectroscopy & pKa titration 21
ITC measurement 22
Semi-native polyacrylamide gel electrophoresis 23
Western blotting 24
Dot blotting 25
N. aquaticus KCTC 9944 mRNA transcriptome assay 26
Protein 3D structure prediction with AlphaFold 3 28
Statistical analysis 28
Results 30
NoaR sequence analysis and light-driven pumping assay 30
Predicted 3D structure of NoaR WT and its mutants via AlphaFold 3 44
Metal ion-dependent binding affinity and thermodynamics of NoaR .. 52
Spectroscopic characteristics of NoaR 57
Oligomerization in semi-native PAGE and western blotting 70
N. aquaticus KCTC 9944 growth and transcriptome analysis 74
Discussion 82
Conclusion 92
References 93
