【ELSI】代謝ネットワークに刻まれた古代酵素の進化史

― 代謝反応から最古の酵素の構造と機能を予測する新モデルを開発 ―

未来社会創成研究院 地球生命研究所（ELSI）のリアム・ロンゴ（Liam M. Longo）特任准教授とハリソン・スミス（Harrison B. Smith）特任准教授、龍也・コレット博士課程学生らの国際共同研究チームは、地球上に生命が誕生してから間もない時代に酵素がどのような順番で生まれてきたのかを、今の生物が共有する代謝反応ネットワークの構造から予測する新しい計算手法を開発しました。

図： 代謝反応と必要なタンパク質フォールドの対応の概念図。代謝反応を触媒する酵素は単一または複数のフォールド（立体構造）から構成される。酵素はそれぞれさまざまな組み合わせのフォールドから構成されているため、酵素の進化の歴史を辿るには、フォールドそれぞれの進化の歴史を理解することが重要だと考えられる。

代謝反応とそれに必要なタンパク質の立体構造データを組み合わせ（図）、生命の進化に伴って代謝ネットワークが成長する順番に沿って、酵素を構成する立体構造（フォールド）を1つずつ加えていくコンピュータシミュレーションを行いました。そして最初期の酵素がどのような形を持ち、どういった反応を担っていたのかを予測しました。

その結果、最初期に出現したフォールドは、代謝反応に欠かせない補酵素と結びつくタンパク質に広く共通して見られるα/β構造が中心でした。さらに、「生物による酸素の生成」という地球の代謝における大きな転換点において、新規フォールドの誕生よりも、既存のフォールドの新しい酸素反応への転用が代謝系を進化させる主な駆動力であったことも明らかになりました。この結果は、代謝ネットワークの構造からタンパク質の進化の過程を予測するという、従来の系統解析からは独立した新しい方法で酵素進化の歴史を読み解けることを示すものであり、生命の起源における代謝とタンパク質の進化をあわせて理解するための重要な一歩です。

本成果は、8月11日付（現地時間）の「Proceedings of the National Academy of Sciences」誌に掲載されました。

Tatsuya Corlett, Harrison B. Smith, Eric Smith, Joshua E. Goldford and Liam M. Longo. The history of enzyme evolution embedded in metabolism PNAS DOI: 10.1073/pnas.2609531123

プレスリリースの全文は、こちらのページをご覧ください。

ELSIについては、こちらのページをご覧ください。