代謝ネットワークに刻まれた古代酵素の進化史ー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ー

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2026-09-10 東京科学大学

東京科学大学などの国際研究チームは、現生生物が共有する代謝ネットワークの構造から、LUCA(全生物の最終共通祖先)以前を含む古代酵素の進化史を推定する新しい計算手法を開発した。KEGGの代謝反応とECODのタンパク質構造データを統合し、原始地球の単純な分子から代謝ネットワークが拡大する過程と、それに必要なタンパク質フォールドの出現順序をシミュレーションした。その結果、初期の代謝を担った酵素には、補酵素との結合に適したα/β構造が多かったと推定された。また、光合成によって地球環境に酸素が蓄積した際、生命は新しい酵素を生み出すだけでなく、既存酵素を酸素関連反応へ転用する「再機能化」によって適応したことが示された。本研究は、系統解析とは異なる「代謝ネットワーク」という進化の記録から、生命誕生初期の酵素進化を復元する新たな方法論を提示する。

代謝ネットワークに刻まれた古代酵素の進化史ー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ー
図1. 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。

<関連情報>

代謝に埋め込まれた酵素進化の歴史 The history of enzyme evolution embedded in metabolism

Tatsuya Corlett, Harrison B. Smith, Eric Smith, +1 , and Liam M. Longo
Proceedings of the National academy of Sciences  Published:August 11, 2026
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2609531123

Abstract

Whereas phylogenetic reconstructions are a primary record of protein evolution, it is unknown whether the deep history of enzymes is encoded at higher levels of biological organization. Here, we demonstrate that the emergence and reuse history of enzymatic folds is embedded within the web of metabolite-cofactor-enzyme interdependencies that comprise biosphere-scale metabolic reaction networks. Using a simple network analysis approach, we reconstruct the relative ordering of enzymatic fold emergence and, where possible, the first reaction(s) that each enzymatic fold catalyzed. We find that a large majority of enzymatic folds were sufficient as independent additions to open new avenues for metabolic growth. The resulting network-based histories are broadly concordant with enzyme phyletic distribution in prokaryotes, a proxy for enzyme age. Our results suggest that the earliest enzyme-mediated metabolisms were enriched for α/β proteins, likely due to their strong association with cofactor utilization, and that α-proteins preferentially emerge at later stages. The cradle-loop barrel, a member of the small β-barrel metafold, is predicted to be the founding β-fold, in agreement with analyses of ribosome structure. An examination of how the protein universe responded to the biological production of molecular oxygen reveals that the adaptation of existing enzymatic folds, not novel fold emergence, was the primary driver of metabolic evolution. This work presents a self-consistent model of metabolic and enzyme evolution, key progress toward integrating diverse perspectives into a unified history of protein evolution.

生物化学工学
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