Isolation of oxygen-dependent nicotine- and pseudooxynicotine-metabolizing enzymes

何十年もの間、科学者たちはニコチン中毒のグリップを解くための生物学的な方法を探し続けてきました。そのアイデアは単純です。もし体内に酵素を導入して、ニコチンが脳に到達する前に急速に破壊することができれば、喫煙への衝動は消滅するかもしれないというものです。自然界にはすでに、この役割を担える候補が存在しています。土壌で見つかった細菌である「シュードモナス・プティダ（Pseudomonas putida）」は、「NicA2」と呼ばれる酵素を作り出し、ニコチンを無害な物質へと変換することができます。しかし、この天然版には重大な欠陥があります。細菌の内部では、この酵素は特定のパートナー、すなわちシトクロムと呼ばれる小さなタンパク質を必要とする特化した機械のように機能します。そのパートナーなしでは、この酵素は極めて動きが遅くなり、酸素と反応するのが非常に緩慢であるため、ヒトの患者に使用するには膨大かつ非現実的な量の投与が必要になってしまいます。研究者たちは、ラボで酵素の構造を微調整することでこれを修正しようとし、より高速化させる試みを行ってきましたが、壁に突き当たりました。この酵素は、単独で酸素を利用して速度を上げることを頑なに拒んでいるのです。

より良い解決策を見つけるために、研究チームは古い機械を修理することをやめ、代わりに全く新しい機械を探すことに決めました。彼らは、ニコチンを唯一の食物として食べることができる細菌を見つけようと、土壌やタバコの廃棄物を探し回りました。これは、酸素を用いて効率的に働く、自然に進化した酵素が見つかることを期待してのことでした。そして、彼らはまさに求めていたものを、名もなき一服の煙草から分離された「ペリバチルス・フリゴリトレランスス（Peribacillus frigoritolerans）NIC8」と呼ばれる菌株の中から見つけ出したのです。この微生物は、独自の酵素セットを持っており、それらは真の酸化剤として機能します。「Ncox」および「Pnox»」と名付けられたこれらの新酵素は、従来のNicA2とは異なり、ニコチンとその化学的兄弟分である疑似オキシニコチンを取り込み、空気中の酸素のみを使用して迅速に分解することができます。これらが動作する速度は、酸素を燃料とした場合、元のNicA2よりも1,000倍近く速く、依存症治療への有望な新たな道を示しています。

この旅は、単純な観察から始まりました。研究者はタバコ畑や吸い殻のサンプルを採取し、そこではニコチンが利用可能な唯一の食物となるプレート上に配置しました。ほとんどの細菌は餓死しましたが、一つのコロニーが旺盛に成長しました。遺伝子解析の結果、この生存者は以前から存在することは知られていたものの、ニコチンを食べることで知られていなかった種である、ペリバチルス・フリゴリトレランススの系統であることが特定されました。研究者が、この細菌からプラスミドとして知られる特定の123,000塩基対のDNA環を除去したところ、その生物は直ちにニコチンによる増殖能力を失いました。これにより、その食性の秘密はこの追加の遺伝情報の断片にコードされていることが証明されました。そのプラスミドの中に、研究チームは見つけ出し、「ncox」と「pnox」と命名した二つの隣接する遺伝子を発見しました。これらの遺伝子は、有名なNicA2に似ているものの、別個に進化してきたことを示唆するほど明確に異なる性質を持つ酵素を生み出していました。

これらの酵素がどのように機能するかを理解するために、チームはエシェリヒア・コリ（大腸菌）を用いて実験室内でこれらを生成させ、その働きを観察しました。彼らは、Ncox酵素がニコチンに出会った際、黄色から透明へと瞬時に変化することを確認しました。これは、それが化学的にニコチンを変容させている視覚的な兆候です。Pnox酵素も同様に、最初のニコチン分解物が生じた際に空気に触れることで形成される物質である擬似オキシニコチンに対して同じ挙動を示しました。決定的なのは、どちらの酵素もこれを行うためにパートナーとなるタンパク質を必要とせず、空気中の酸素と直接作用している点です。研究者がこの反応の速度を測定したところ、Ncoxはニコチンを毎秒7.7回の割合で処理できる一方で、Pnoxはその標的を毎秒3.9回の割合で処理できました。これらの数値は、酸素のみで作動する場合において、わずか約0.007回の反応しかこなせない元のNicA2と比較すると、圧倒的に優れています。

研究者たちはまた、これらの酵素が酸素分子自体をどのように扱うのかについても調査しました。過渡現象動力学と呼ばれるプロセスの中で、彼らは高速流装置を用いて酵素と酸素を混合し、反応の正確な速度を測定しました。その結果、NcoxとPnoxはそれぞれ、濃度あたりの単位時間あたりにつき、酸素と毎秒51,100回および81,000回の割合で反応することが分かりました。これらの速度は、真の酸化剤として知られる自然界の他の高度に効率的な酵素に匹敵しており、NicA2よりも数千倍高速です。これにより、これらの新酵素は単なる改良版ではなく、酸素が豊富な環境下でパートナーとしてのシトクロムを必要とせずに機能するように設計された、根本的に異なる種類の機械であることが確認されました。

これらの酵素が生物学的システムにおける不足しているパートナーを実際に代替できるかを証明するため、チームはレスキュー実験を実施しました。彼らは、本来持っているはずのシトクロムパートナーを欠落させたように遺伝子操作された、オリジナルのシュードモナス・プティダの株を用いました。この不全状態となった細菌は、ニコチンを食べることができない状態にありました。ところが、この細胞に新しいNcoxの遺伝子を与えたところ、細菌は即座にニコチン上で増殖する能力を取り戻しました。実際、この細菌は、最も優れた研究所での進化型NicA2よりも早く成長しました。これは、新しい酵素が複雑な細胞内機構を必要とせず、生体内においても独立して効率的に機能できることを実証しています。

本研究はまた、細菌がいかにしてこれらの酵素を制御しているかも明らかにしました。ニコチンを含む培地と別の食物源を用いた場合の細菌の遺伝活動を比較することにより、研究者たちは、ニコチンが存在するときにncoxおよびpnoxの遺伝子が高度にオンになっていることを見出しました。これは、細菌が環境中で遭遇したときに、これらの酵素を使って自然に消化していることを示唆しています。さらなる遺伝子解析によれば、これらの酵素はおそらく他の細菌に見られる共通の祖先から進化したものであると考えられますが、土壌細菌に見られるNicA2とは異なる進化経路を辿っています。NicA2が依然としてシトクロム系に縛り付けられている一方で、これら新しいペリバチルス属の酵素は、おそらくその特殊な生息環境が、よりシンプルで高速な手法を好んだことにより、酸素を直接使用するように進化した可能性があります。

この発見が持つ意味は、将来の依存症治療にとって極めて重要です。酵素を用いてニコチン中毒を治療するという主要な目的は、薬物が脳に高揚感を与える前に、血液中から薬物を素早く除去することにあります。元のNicA2酵素は、（人間で使用するための）コストがかかり困難な大量投与を要求しなければならないほど低速すぎました。酸素と共に迅速に作動する能力を持つ新しいNcox酵素は、より実践的なソリューションを提供します。それは、過去のモデルのような複雑な細胞内のパートナーを必要としない、自然によって精製された、現存する高度に効率的なツールなのです。研究者たちは、人間の用途に適応させるためには更なる最適化テストが必要であると指摘していますが、この発見は、治療効果に必要なスピードを実現するために自然が既に磨き上げた強力な候補であることを提示しています。