分子の密集が酵素を活性化し、酵素が分子を動きやすくする

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2026-10-30 沖縄科学技術大学院大学

沖縄科学技術大学院大学(OIST)は、マックス・プランク動力学・自己組織化研究所、理化学研究所との共同研究により、細胞内に存在する膜のない区画(生体分子凝縮体)を模したタンパク質液滴を用いて、酵素と分子密集環境の相互作用を解明した。ウシ血清アルブミン(BSA)を高濃度に含む液滴では、乳酸脱水素酵素(LDH)などの酵素活性が一定範囲で上昇することを確認した。コンピューターシミュレーションでは、分子密集環境によって酵素の活性部位が閉じた構造を取りやすくなり、反応のエネルギー障壁が低下することが示された。さらに、酵素反応によって液滴内部に化学的濃度勾配が生じ、微小な流れが発生することで、タンパク質やナノ粒子の拡散・移動が促進されることも明らかにした。酵素が周囲の物理環境を変化させ、その環境が再び酵素活性に影響するという双方向の仕組みを示した成果であり、細胞内代謝や生体分子凝縮体の機能理解につながる。

分子の密集が酵素を活性化し、酵素が分子を動きやすくする
高密度環境は酵素活性を高める。シミュレーションの結果、BSAタンパク質に囲まれた乳酸脱水素酵素(LDH)は、開いた状態と閉じた状態の両方をとることが分かった。高密度環境では閉じた状態が優勢となり、その結果、酵素反応が起こりやすくなって活性が高まる。 © Dindo et al., 2026, 10.1038/s41467-026-77666-y

<関連情報>

酵素は、様々なスケールで高密度の生体分子凝縮体を活性化および移動させることができる Enzymes can activate and mobilize dense biomolecular condensates across scales

Mirco Dindo, Jakob Metson, Weitong Ren, Michalis Chatzittofi, Kiyoshi Yagi, Alessandro Bevilacqua, Erika Fukuhara, Yuji Sugita, Ramin Golestanian & Paola Laurino
Nature Communications  Published:30 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-77666-y

Abstract

Biomolecular condensates have so far been studied in terms of their structural, compositional, and functional properties. However, condensate enzymatic activity – a key aspect of cellular metabolism – remains unexplored due to the complexity of the system. In this study, using a combination of experimental, computational and theoretical techniques, we have discovered that the non-equilibrium activity which originates from catalytic reactions couples with the environment through various feedback mechanisms across five orders of magnitude of length scales. We observe that condensed enzymes catalyze more rapidly in the presence of crowding proteins and show that the increased enzymatic activity within these droplets stems from the emergence of lower-energy protein conformations induced by the highly crowded environment. Despite the crowding in the environment of the droplet, which might suggest an effective increase in its overall viscosity, we find that it becomes more agile, as evidenced by the observation of enhanced diffusion and macroscopic flow, due to the enzymatic activity. These findings shed light on the dynamic interplay between enzymatic activity, composition and crowding in condensates, and their roles on the mobility and accessibility of various functional units in these environments, expanding our understanding of liquid-liquid phase separation in metabolically active conditions.

生物工学一般
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