広報活動

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2016年7月21日

理化学研究所

化学反応ネットワークの新原理「限局則」を発見

-酵素変化に対する応答の範囲は構造で決まる-

バクテリア(大腸菌)の中心代謝系の反応ネットワーク

バクテリアの中心代謝系の解析。色は「限局構造」に対応。

生物学では、実験的方法でこれまでに明らかにされてきた多くの情報に対し、統合的・全体的視点からその働きを捉えるために、数理科学や物理学、計算機シミュレーションなどの理論的方法が積極的に利用されるようになってきています。

生体内で起こる多数の化学反応は、生成物や反応物を共有する形で連鎖的につながり、ネットワークを形成しています。さまざまな生物種の化学反応ネットワークの情報がデータベース上で得られる一方で、このシステムからどのようなダイナミクスが生まれるのかは、ほとんど分かっていません。このような化学反応系のダイナミクスや調節機構を理解するには、化学反応ネットワークの形と酵素変化に対する応答とを結びつけることが必要です。しかし、これまで、そのような理論は存在していませんでした。

理研の研究チームは、化学反応のダイナミクスを記述する微分方程式の定常解(時間的に変化しない解)に注目し、各酵素の変動に対する解の応答を一斉に決定する理論式を求めました。化学反応ネットワークには、(a)各反応によってどの物質がどの物質に変化するか、(b)各反応がどの物質に依存するか、という情報が存在します。研究チームは、これらの情報だけを過不足なく用いて、それ以外に仮定を置かない理論を構築しました。そして、理論解析の結果、次の三つのことを発見しました。

  1. 酵素の変化に対する化学反応系の定性的応答は「ネットワークの形だけから」決められる(図参照)。
  2. ネットワークの形と変化を与える箇所に依存して、特徴的な応答パターンを示す。
  3. 以上の特徴的パターンを全て説明する一般則として「限局則」が存在する。

化学反応系の振る舞いについて、局所的なネットワークの形だけから決定できるこの理論は、多様な生命現象への応用やさまざまな方向への発展の可能性があります。例えば、さまざまな化学反応系の酵素変化に対する応答を、ネットワークの形を見ただけですぐ予測できます。

現在、生命現象に対し、生体分子とそれらの関係性からダイナミクスを理解しようとする研究が進められています。「限局則」はこれらの研究を進展させる基本指針になると考えられます。

理化学研究所
主任研究員研究室 望月理論生物学研究室
特別研究員 岡田 崇 (おかだ たかし)
主任研究員 望月 敦史 (もちづき あつし)
(理論科学連携研究推進グループ 階層縦断型理論生物学研究チーム チームリーダー)