私たちの目には見えない細菌の世界では、きわめて小さな分子装置が絶えず働き、エネルギーを生み出し、生命活動を支えています。今回、京都大学の研究チームが、細菌に動力を供給する「ナトリウムポンプ」の分子レベルの仕組みを解明したと発表しました。
この成果は、生体エネルギー変換の仕組みに関する長年の謎を解き明かすものであり、科学誌「Nature Communications」に2026年2月12日付で掲載されました。研究では、海洋細菌や病原性細菌に存在する酵素「Na⁺-NQR」が、酸化還元反応のエネルギーをどのように利用してナトリウムイオンを輸送しているのかが、初めて分子レベルで明らかにされました。
Na⁺-NQRとは何か ― 細菌の生命線を支える酵素
Na⁺-NQRは、コレラ菌、淋菌、インフルエンザ菌など多くの病原性細菌に存在する呼吸酵素です。呼吸酵素とは、細胞がエネルギーを取り出す際に働くタンパク質のことを指します。ヒトが酸素を使ってエネルギーを生み出すのと同様に、細菌も独自の仕組みでエネルギーを作り出しています。
この酵素は、細菌の内膜を越えてナトリウムイオン（Na⁺）を外へ送り出します。その結果、細胞内と細胞外の間にナトリウム濃度の差が生まれます。この濃度差は「電気化学的勾配」と呼ばれ、細菌が運動したり物質を取り込んだりするためのエネルギー源になります。
言い換えれば、Na⁺-NQRは細菌の“エネルギーポンプ”であり、生命活動の基盤となる装置なのです。このポンプが正常に機能しなければ、細菌は生き延びることができません。
長年の疑問 ― 電子の動きはどうやってイオン輸送につながるのか
科学者たちは以前から、Na⁺-NQRが「酸化還元反応」によって駆動していることを理解していました。酸化還元反応とは、分子間で電子が受け渡される反応であり、この電子移動に伴ってエネルギーが放出されます。
しかし、電子がタンパク質内部を移動することと、ナトリウムイオンが膜を通過することが、どのように連動しているのかは不明のままでした。
酵素は動作中に立体構造を変化させますが、その瞬間的な中間状態を観察することは非常に困難でした。そのため、電子移動とイオン輸送を結びつける具体的なメカニズムは、長年の謎として残されていたのです。
最先端技術の融合で「動く構造」を捉える
今回の研究では、クライオ電子顕微鏡と分子動力学シミュレーションを組み合わせるという最先端の手法が用いられました。
クライオ電子顕微鏡は、タンパク質を極低温で凍結し、その立体構造を高精度で観察する技術です。一方、分子動力学シミュレーションは、コンピューター上で分子の動きを再現し、時間的変化を追跡する方法です。
石川-福田萌氏がクライオ電子顕微鏡解析を担当し、関健人氏がシミュレーションを担当しました。この連携により、酵素が作動中にどのように形を変えるのかが明らかになりました。
研究の結果、電子がタンパク質内部を移動すると、それに応答して酵素の構造が変化し、ナトリウムイオンが通過できる通路の「ゲート」が開閉することがわかりました。
つまり、
電子移動
→ 構造変化
→ ナトリウムイオン輸送
という連鎖が、実際に分子レベルで起きていることが確認されたのです。酸化還元反応がナトリウム輸送を直接駆動する仕組みが、初めて具体的に示された瞬間でした。
コロルマイシンが鍵となった理由
研究では、korormicin（コロルマイシン）という化合物が重要な役割を果たしました。この物質はNa⁺-NQRの阻害剤として知られていましたが、今回の研究では、通常は非常に短時間しか存在しない「中間状態」を安定化させるために利用されました。
このおかげで、これまで観察できなかった構造の瞬間を捉えることができたのです。関氏は、この研究がヒトのミトコンドリアに存在するプロトンポンプとは根本的に異なる戦略を明らかにしたと説明しています。
ヒト細胞では主に「プロトン（H⁺）」がエネルギー生成に使われますが、細菌は「ナトリウム（Na⁺）」を利用するという別の戦略を採用しています。生命は同じエネルギー変換を目指しながらも、まったく異なる方法を進化させてきたことが示されたのです。
新しい抗生物質開発への道
この研究成果は、基礎科学の枠を超え、医療への応用可能性も秘めています。
Na⁺-NQRは細菌にのみ存在し、ヒト細胞には存在しません。 そのため、この酵素を標的とする薬剤は、ヒトに影響を与えずに細菌のみを攻撃できる可能性があります。
研究チームリーダーの村井正俊氏は、今回特定された構造状態を標的として、このポンプの機能を阻害できるかどうかを今後調べるとしています。もしこのポンプを止めることができれば、細菌はエネルギーを失い、生存できなくなる可能性があります。
これは、耐性菌問題が深刻化する中で、新しい作用機序を持つ抗生物質開発につながる可能性を秘めています。
基礎研究が切り拓く未来
本研究は、レンセラー工科大学、京都工芸繊維大学、分子科学研究所との共同研究として行われました。細菌のエネルギー変換という基礎的なテーマに真正面から取り組み、長年の謎を一つ解き明かした意義は大きいといえます。
目に見えない分子の動きが、生命を支え、病原性を生み、そして医療の未来を左右する可能性を持っています。今回の発見は、細菌という小さな存在の中にある巨大な科学的価値を改めて示すものとなりました。
ソース
・Nature Communications（2026年2月12日掲載論文）
・Phys.org
・京都大学 公式発表
・Nature.com
