生命のエネルギー通貨ATPをつくる「原始的酵素モデル」を構築 ~アミノ酸の種類を減らすことで、進化に埋もれたATP生成機能を発掘~

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2026-10-13 早稲田大学

早稲田大学と理化学研究所の研究グループは、生命活動に不可欠なエネルギー分子ATPを生成する、原始的な酵素モデルを構築した。現代のタンパク質は主に20種類のアミノ酸から構成されるが、生命誕生初期の地球では、利用できるアミノ酸の種類が限られていた可能性がある。研究チームは、ヌクレオシド二リン酸キナーゼ(NDK)の祖先型をもとに、12種類のアミノ酸からなる酵素モデル「Arc1-12KR」を作製した。その結果、この酵素は、2分子のADPからATPとAMPを生成する反応を触媒することが分かった。この反応は元の酵素では検出されず、アミノ酸の種類を制限したことで新たに現れた機能である。また、元の酵素で触媒作用に重要なヒスチジンを持たないにもかかわらず、活性部位の再配置などによって異なる反応機構が生じた可能性が示された。本成果は、生命初期のエネルギー代謝の起源を探る手掛かりとなるほか、進化の過程で失われた酵素機能の発掘や人工酵素の設計にも貢献すると期待される。

生命のエネルギー通貨ATPをつくる「原始的酵素モデル」を構築 ~アミノ酸の種類を減らすことで、進化に埋もれたATP生成機能を発掘~
図1:アミノ酸組成の制約によるATP生成反応の切り替え。

<関連情報>

限られたアミノ酸セットを用いたATP生成リン酸転移化学の切り替え Switching ATP-Forming Phosphoryl-Transfer Chemistry With a Restricted Set of Amino Acids

Sota Yagi, Subrata Dasgupta, Shunsuke Tagami, Satoshi Akanuma
Angewandte Chemie International Edition  Published: 09 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.2166480

ABSTRACT

Restricting amino acid diversity is expected to impair enzyme catalysis, but whether such constraints simply diminish catalytic activity or generate distinct catalytic chemistry remains unclear. We reconstructed an ancestral nucleoside diphosphate kinase (NDK) scaffold using 10 prebiotically plausible residues plus lysine and arginine. The resulting variant, Arc1-12KR, retained the canonical NDK fold in its crystal structure despite lacking the catalytic histidine. Chromatographic and mass spectrometric analyses showed ADP disproportionation to ATP and AMP, an activity undetectable in the NDK scaffold prior to amino acid reduction. Kinetic analysis showed nonlinear dependence on ADP concentration, and docking/molecular dynamics simulations indicated that the putative active-site region can accommodate two ADP molecules. These structural, computational, and mutational analyses suggest that compositional constraints reshape ATP-forming phosphoryl-transfer chemistry through a reorganized active site in which aspartate and arginine, together with coordinated Mg2+, may enable phosphoryl transfer via a noncanonical, histidine-independent mechanism. Despite modest catalytic efficiency, this activity represents a viable catalytic solution under compositional constraints, demonstrating that ATP formation can be supported by minimal amino acid repertoires. Thus, restricting amino acid diversity can generate distinct yet convergent ATP-forming catalytic solutions, which may represent chemically plausible early routes to ATP formation under primitive conditions.

細胞遺伝子工学
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