【ELSI】酵素は「マクスウェルの悪魔」として振る舞う

― 拡散により化学平衡を破る、酵素の新たな仕組みを解明 ―

東京科学大学（Science Tokyo） 未来社会創成研究院 地球生命研究所（ELSI）の畠山哲央准教授、コペンハーゲン大学 ニールス・ボーア研究所の金子邦彦教授（兼 東京科学大学 未来社会創成研究院 地球生命研究所 客員研究員）、東京大学 大学院理学系研究科の一井俊介大学院生らの研究チームは、酵素反応に伴って酵素の拡散係数が増大する現象「酵素拡散増大（Enhanced Enzyme Diffusion：EED）」が、酵素を情報熱力学的な「マクスウェルの悪魔」として機能させ（図）、化学平衡からの逸脱を引き起こすことを理論的に解明しました。

これまで酵素は、反応速度を上げるものの、最終的な化学平衡状態は変えない受動的な触媒であると理解されてきました。また、近年の計測技術により、多くの酵素でEEDが観測されており、細胞内環境に何らかの影響を与えると期待されるものの、この現象が巨視的な化学平衡にどのような影響を与えるのかは未解明でした。

本研究では、理論モデルを用いた解析により、酵素が直前にどのように反応したかの情報をEEDによる酵素の「動きの変化」として一時的に記憶し、この情報を利用して逆反応が起きる確率を自律的に制御することで、化学平衡からの逸脱を引き起こすことを示しました。また、化学平衡からの逸脱に重要なパラメータを明らかにすることで、この現象が実際の酵素の物理的条件下で起こりうることを確認しました。

本研究成果は、「生命システムがいかに情報を利用しているのか」という根源的な問いに対し、非平衡統計力学と情報熱力学の視点から、細胞内に遍在する酵素が情報を利用して生化学反応を制御しているという新たな解答を与えるものです。

本研究成果は、2026年1月21日（現地時間）に米国物理学会誌「Physical Review Letters」に掲載されました。

Shunsuke Ichii, Tetsuhiro S. Hatakeyama, and Kunihiko Kaneko. Enzyme, Maxwell’s Demon: Steady-State Deviation from Chemical Equilibrium by Enhanced Enzyme Diffusion. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/flv6-zw1v

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