私たちの体内で起こる代謝から、植物の成長、さらには工業製品の生産に至るまで、酵素は数え切れないほどの生命活動や化学プロセスを支える重要な働きをしています。しかし、そんな働き者の酵素の中には、仕事を与えすぎるとかえって働きが鈍ってしまう、少し変わった性質を持つものがいることをご存知でしょうか。この「基質阻害」として知られる現象は、医薬品の効果や工業プロセスの効率を妨げる可能性があり、長年の謎でした。
しかしこの度、ミュンヘン工科大学（TUM）の研究者たちがこのメカニズムの一端を解明し、ニンジンなどに含まれるβ-カロテンがその解決策になる可能性を発見しました。この研究成果は、2025年3月29日付の Nature Communications 誌に掲載されたオープンアクセス論文、「β-Carotene Alleviates Substrate Inhibition Caused by Asymmetric Cooperativity（β-カロテンは非対称的な協同性によって引き起こされる基質阻害を緩和する）」で発表されました。
酵素は、私たちの衣服を洗い、消化を助け、パンを膨らませるなど、日常生活の様々な場面で活躍しています。通常、酵素は処理すべき対象（基質）が増えれば増えるほど、その活性も高まります。しかし、知られている酵素の約20%は異なる挙動を示します。一度にあまりにも多くの分子に囲まれると、その働きを遅らせたり、時には完全に停止してしまったりするのです。
これまで、基質阻害のメカニズムは十分に理解されていませんでした。科学者たちは、これが細胞内の調節機能の一つだと考えていますが、時には裏目に出ることもあります。「特定の薬剤を用いた実験では、基質阻害が医薬品の作用に影響を与える可能性が示唆されています」と、TUMの天然物バイオテクノロジーの教授であるヴィルフリート・シュワブ氏（Wilfried Schwab）は語ります。「薬剤の濃度が高すぎると、反応が遅くなることがあるのです。」同様の原理は、食品生産や工業用洗浄剤などの分野でも効率に影響を及ぼす可能性があります。
植物が自己防衛に使う酵素
シュワブ教授のチームは今回、分子が酵素に結合する「順序」が、基質阻害が起こるかどうかを決定することを初めて明らかにしました。研究チームは、タバコ植物に含まれるある酵素に着目しました。この酵素は、植物を捕食者や病原体から守る働きを持つフェノール類を、有効な形に変換するのを助けます。
この酵素は、糖分子とフェノールの両方に結合します。研究チームが観察したところ、まず糖が結合し、その後にフェノールが結合した場合は、酵素は正常に機能しました。しかし、フェノールが先に結合する頻度が高くなると、酵素の活性は阻害されてしまったのです。フェノールが多く存在するほど、この阻害的な結合順序が頻繁に起こり、最終的には植物の防御反応が停止してしまいます。
競合する分子が負荷を軽減する
研究チームは、さらに第二の発見をしました。それは、β-カロテンがこの阻害を緩和し、酵素の活性を回復させることができるというものです。β-カロテンは、酵素上の同じ結合部位をフェノールと競い合います。これにより、あまりにも多くのフェノールが先に結合して機能停止を引き起こすのを防ぐのです。「このアイデアは、β-カロテンが基質阻害に影響を与える可能性を示唆した過去の知見に基づいていました。しかし、β-カロテンが実際に基質阻害を軽減できることを目の当たりにして、私たちは驚きました」とシュワブ教授は述べています。
では、これはβ-カロテンが全ての問題を解決できることを意味するのでしょうか。「β-カロテンは魔法の弾丸ではありません」とシュワブ教授は注意を促します。「多くのシステムと同様に、酵素が適切に機能するためにはバランスが鍵となります。しかし、私たちの発見は研究の新たな方向性を切り開くものであり、最終的には幅広い応用分野におけるプロセスの改善に貢献するかもしれません。」
写真：ヴィルフリート・シュワブ氏（Wilfried Schwab）
