代謝ネットワークのスケールフリー性が飢餓を防ぐ ──統計物理学による代謝モデルの解析──

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2026-09-15 東京大学

東京大学の研究グループは、単純化した代謝ネットワークモデルに動的平均場理論を適用し、ネットワーク構造と代謝ダイナミクスの関係を解析した。代謝ネットワークに普遍的にみられる「スケールフリー性」に着目し、接続が均質なネットワークと比較した結果、栄養が乏しい環境ではスケールフリー性が代謝活動を促進し、飢餓状態への転移を抑える可能性を示した。一方、栄養豊富な環境では代謝活動を抑制する効果も確認された。また、ネットワークの接続数分布と化学種濃度の分布にも対応関係があることを示した。現実の代謝ネットワークは疎であり、反応も単純化されているため、現実の生物への適用可能性は今後の検証課題である。

代謝ネットワークのスケールフリー性が飢餓を防ぐ ──統計物理学による代謝モデルの解析──
スケールフリーネットワークと均質ネットワーク上における理論モデルの細胞成長率

<関連情報>

高密度スケールフリー代謝ネットワークにおける飢餓抑制:触媒反応ネットワークの動的平均場解析 Starvation suppression in dense scale-free metabolic networks: Dynamical mean-field analysis of catalytic reaction networks

Kota Mitsumoto and Shuji Ishihara
Proceedings of the National Academy of Sciences  Published:September 10, 2026
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2614238123

Abstract

Cellular metabolic networks exhibit scale-free topologies with power-law degree distributions across diverse organisms. Although such topologies are often linked to mutational robustness and evolutionary advantage, their role in metabolic dynamics remains unclear. Using dynamical mean-field theory, we derive an exact solution for an intracellular catalytic reaction model on dense random networks with arbitrary degree distributions. We show that the metabolic–starvation transition observed under nutrient-poor conditions for homogeneous degree distributions disappears when the out-degree distribution is scale-free. We also show a power-law in-degree distribution of the underlying catalytic reaction network gives rise to a power-law distribution of biomolecular abundances with the same exponent. Large-scale numerical simulations validate these predictions. Our results provide a theoretical framework linking network topology and metabolic dynamics.

生物化学工学
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