酵素は「マクスウェルの悪魔」として振る舞う~拡散により化学平衡を破る、酵素の新たな仕組みを解明~

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2026-01-29 東京科学大学

東京科学大学(Science Tokyo)、コペンハーゲン大学、東京大学の研究チームは、酵素が示す「酵素拡散増大(EED)」現象によって、化学平衡を自律的に破る仕組みを理論的に解明しました。従来、酵素は反応速度を加速するだけで、最終的な化学平衡を変えない受動的触媒と考えられてきましたが、本研究では、酵素が反応の履歴を拡散係数の変化として一時的に記憶し、その情報を用いて逆反応の確率を低下させることを示しました。この過程は、情報を用いて秩序を生み出す「マクスウェルの悪魔」の働きとして理解できます。理論解析により、この現象が実在の酵素の物理パラメータ範囲で起こり得ることも示され、細胞内で酵素が情報を利用して代謝反応を制御している可能性が示唆されました。本成果は、情報熱力学と生命現象を結び付ける新たな視座を提供します。

酵素は「マクスウェルの悪魔」として振る舞う~拡散により化学平衡を破る、酵素の新たな仕組みを解明~
図1. 「マクスウェルの悪魔」が酵素の拡散速度を変えているイメージ図

<関連情報>

マクスウェルの悪魔としての酵素:酵素拡散の促進による化学平衡からの定常偏差 Enzyme as Maxwell’s Demon: Steady-State Deviation from Chemical Equilibrium by Enhanced Enzyme Diffusion

Shunsuke Ichii, Tetsuhiro S. Hatakeyama, and Kunihiko Kaneko
Physical Review Letters  Published: 21 January, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/flv6-zw1v

Abstract

Enhanced enzyme diffusion (EED), in which the diffusion coefficient of an enzyme transiently increases during catalysis, has been extensively reported experimentally, although its existence remains under debate. In this Letter, we investigate what macroscopic consequences would arise if EED exists. Through numerical simulations and theoretical analysis, we demonstrate that such enzymes can act as Maxwell’s demons: They use their enhanced diffusion as a memory of the previous catalytic reaction, to gain information and drive steady-state chemical concentrations away from chemical equilibrium. Our theoretical analysis identifies the conditions under which this process could operate and discusses its possible biological relevance.

生物化学工学
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