We collected and completely sequenced 28,469 full-length complementary DNA clones from Oryza sativa L. ssp. japonica cv. Nipponbare. Through homology searches of publicly available sequence data, we assigned tentative protein functions to 21,596 clones (75.86%). Mapping of the cDNA clones to genomic DNA revealed that there are 19,000 to 20,500 transcription units in the rice genome. Protein informatics analysis against the InterPro database revealed the existence of proteins presented in rice but not in Arabidopsis . Sixty-four percent of our cDNAs are homologous to Arabidopsis proteins.

Abstract Diatoms are a major phytoplankton group responsible for about 20% of Earth’s primary production. They carry out photosynthesis inside the plastid, an organelle obtained through eukaryote-eukaryote endosymbiosis. Recently, microbial rhodopsin, a photoreceptor distinct from chlorophyll-based photosystems, has been identified in certain diatoms. However, the physiological function of diatom rhodopsin is not well understood. Here we show that the diatom rhodopsin acts as a light-driven proton pump and localizes to the outermost membrane of the four membrane-bound complex plastids. Heterologous expression techniques were used to investigate the protein function and subcellular localization of diatom rhodopsin. Using model simulations, we further evaluated the physiological role of the acidic pool in the plastid produced by proton-transporting rhodopsin. Our results propose that the rhodopsin-derived acidic pool may be involved in a photosynthetic CO 2 -concentrating mechanism and assist CO 2 fixation in diatom cells.

A Schiff base in the retinal chromophore of microbial rhodopsin is crucial to its ion transport mechanism. Here, we discovered an unprecedented isotope effect on the C═N stretching frequency of the Schiff base in sodium ion-pumping rhodopsins, showing an unusual interaction of the Schiff base. No amino acid residue attributable to the unprecedented isotope effect was identified, suggesting that the H-O-H bending vibration of a water molecule near the Schiff base was coupled with the C═N stretching vibration. A twist in the polyene chain in the chromophore for the sodium ion-pumping rhodopsins enabled this unusual interaction of the Schiff base. The present discovery provides new insights into the interaction network of the retinal chromophore in microbial rhodopsins.

ABSTRACT Anion channelrhodopsin from Guillardia theta ( Gt ACR1) has Asp234 (3.2 Å) and Glu68 (5.3 Å) near the protonated Schiff base. Here we investigate mutant Gt ACR1s (e.g., E68Q/D234N) expressed in HEK293 cells. The influence of the acidic residues on the absorption wavelengths were also analyzed, using a quantum mechanical/molecular mechanical approach. The calculated protonation pattern indicates that Asp234 is deprotonated and Glu68 is protonated in the original crystal structures. The D234E mutation and the E68Q/D234N mutation shortens and lengthens the measured and calculated absorption wavelengths, respectively, which suggests that Asp234 is deprotonated in the wild type Gt ACR1. Molecular dynamics simulations show that upon mutation of deprotonated Asp234 to asparagine, deprotonated Glu68 reorients towards the Schiff base and the calculated absorption wavelength remains unchanged. The formation of the proton transfer pathway via Asp234 toward Glu68 and the disconnection of the anion conducting channel are likely a basis of the gating mechanism.

Abstract Oxalobacter formigenes is an oxalate-degrading bacterium in the gut microbiota that absorbs food-derived oxalate to use this as a carbon and energy source and thereby helps reduce the risk of kidney stone formation of the host animals 1–4 . The bacterial oxalate transporter OxlT uptakes oxalate from the gut to bacterial cells and excrete formate as a degradation product, with a strict discrimination from other carboxylates that serve as nutrients 5–7 . Nevertheless, the underlying mechanism remains unclear. Here, we present crystal structures of oxalate-bound and ligand-free OxlT in two different conformations, occluded and outward-facing states. The oxalate binding site contains two basic residues that form salt bridges with a dicarboxylate substrate while preventing the conformational switch to the occluded state without an acidic substrate, a ‘disallowed’ state for an antiporter 8, 9 . The occluded ligand-binding pocket can accommodate oxalate but not larger dicarboxylates, such as metabolic intermediates. The permeation pathways from the binding pocket are completely blocked by extensive interdomain hydrophobic and ionic interactions. Nevertheless, a molecular dynamics simulation showed that a flip of a single side chain neighbouring the substrate is sufficient to trigger the gate opening. The OxlT structure indicates the underlying metabolic interactions enabling favourable symbiosis at a molecular level.

Transferring information using light signals, and detecting these signals, is not only a cornerstone of modern technology, but has been essential for organisms since evolution provided them with proteins - the cell’s custom-built tools - capable of light to energy conversion or photo-sensing. In this study, the use of diverse representatives of the photoactive protein family of microbial rhodopsins as the active material in differential photodetector devices has been investigated. By modifying the internal parameters of the detectors, such as rhodopsin kind, salinity and pH, as well as by tuning the external environment, such as temperature, we could increase the responsivity and speed of our devices by over 2 orders of magnitude, compared to a previously reported proof-of-concept device, to the µA/W and kHz range, respectively. The characteristic differential photodetector transient signal shape could be stably observed for temperatures up to 70°C and related to features in the protein’s cyclic reaction upon light activation, with the changes in photocurrent shape and polarity concomitantly providing information about the protein used in the device. Furthermore, this study demonstrates that the use of proteins - the cell’s molecular machines - instead of simple organic semiconductor materials can add secondary sensor functionalities to the device if the stimulus (here through temperature and pH) has sufficient effect on the photocurrent signal to allow calibration.