Murburn構想：細胞代謝および細胞生理学のパラダイムシフト(前半)

ギルバート・リンのAIH(Association Induction Hypothesis 会合誘起仮説を調べる➡日本人研究者の存在を知る➡その研究者を調べる…で辿り着いた理論。

細胞電気生理学の定説と異説を議論した論文をこちらの記事で紹介した。

本稿は、その補完的な位置にあるMurbum構想に本格的に焦点を当てる。この構想が誕生するに至るまでの前章譚となる論文の紹介である。

Manoj KM. Murburn concept: A paradigm shift in cellular metabolism and physiology. Biomolecular Concepts. 2020;11(1):7-22. doi:10.1515/bmc-2020-0002

要約

20年に及ぶヘム-フラビン酵素学のエビデンスに基づく探究の果てに新たな生物学的電子/部分移動のパラダイムこと"Murburn構想"を構築するに至った。Murburnとは"Mured burning" 塀に籠った燃焼(mild unrestricted burning 非制限的な軽微の燃焼)をそのまま略した用語である。この構想は、異端の生理学的用量反応という長年に渡る難問解決の為に誕生し、そして薬物代謝や細胞呼吸に関する一般理解の再構築へと応用された。

Murburn構想は既知の熱力学的および反応速度論的な原理を基礎にした単純なアイデアの集大成であり、拡散性活性酸素種 Diffusible reactive species(DROS)やラジカルに触媒的/機能的役割を要請する。これまでのDROSとは、専ら生命系の維持には貢献しないカオスな毒性物質との見解が支配的だった。Murburnパラダイムが一部の生物学的現象に別の視点を提供することになる為、細胞代謝に関する従来型の観点に立脚する研究者にはこの構想の発展に対する直接的な利益相反が生じる。

Murburnスキームには膨大な代謝的モチーフを包括的な生理学的結果へと統合し、生物学的・医学的探究を再定義する用意は整っている。このアジェンダを進展させるため、本稿ではMurburn構想を概括した上で、一部の学術誌で冗長なアイデアが未だ支持を得ている実態を指摘する。

哲学的プレリュード,Murburn構想の物語

Karl Popper(1902-1994)の指摘通り、科学の進歩とは基本的に経験的反証の実践に依存する。彼は、幾ら仮説に有利な発見を重ねようとその信念の裏付けにはなり得ないと真当な主張をした(その信念の棄却には仮説に反するデータが一つあれば十分だからだ！)。だが科学者は「多重信念体系 Multiple belief system」に根差す人間社会から量産される。社会的存在は複数の主観的信念と多様な関心領域を持つ為、Michael Polanyi(1891-1976)は「主観主義者の容認こそが社会的・科学的実践に於ける現実的課題」だと述べた。その結果、長年に渡り定着した誤信念の反証や反駁は骨の折れる苦難を伴うものとなった。

この現実は、Albert Szent-Gyorgyi(1893-1986)が論じた「デュオニュソス派とアポロニアン派による時間的分布」を生み出す。アポロニアン派は体系的/漸進的プロセスを経て既存パラダイムを確立および拡大し、現状パラダイムを維持する。デュオニュソス派はニュートン第一法則 慣性の法則に従って有名なThomas Kuhn(1922-1996)の「パラダイムシフト」を先導し、アポロニアン派が新パラダイムを検証した後の方針転換を期待する。

だがMax Planck(1858-1947)の名言：

この言葉通り、泥沼に嵌るアポロニアン派は誇張されたニュートン第三法則 作用・反作用の法則に固執し、デュオニュソス派(のアイデア)を呪物扱いしては不当なまでの拒絶反応を示すことになる。

本稿で論じるMurburn構想とは、細胞代謝や細胞生理学の理解を促進し、説明の一助となる基本的かつ普遍的メカニズムを謳うものであり、まさにパラダイムシフトに他ならない。この新たなアイデアは既に定着した科学者の関心領域に猛烈な不快感を齎すかもしれない。だが大局かつ長期的視点では、数え切れない人命の救済と膨大な資源の節約に繋がる。

また、我々は科学の究極道具たる単純な定量論理が持つ共通性と伝達性で不利益を被るわけにはいかない。科学とはファクトベースかつ経験的検証可能な営為、即ち、自然現象を包括的に説明する最適な理論的根拠の発見である。場違いな既得権益や認知的不協和はその探究に於いて何等メリットになり得ない。

以上、Murburn構想を愚直に訴える行為は以下の理由から支持される。

(1)科学哲学が保証する義務論的否定主義
(2)「少数派の筋違いな権利」より「多数派の正当な権利」を優先する功利主義的結論

こうした道徳的かつ合理的論理に則り、私はMurburn構想を此処に発表しよう。

1990年代後半、私がイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のLowell Hager(米国科学アカデミー会員)の研究室で博士研究員として勤務していた頃、思いがけず興味を唆る観察に遭遇した。低濃度のアジ化物 -N₃は、ヘム(ハロ)ペルオキシダーゼ(HPO)が触媒する一電子酸化 one-electron oxidationsを数倍促進すると分かったのである。アジ化物がヘムの活性部位に結合して触媒活性を阻害するリガンドと認知されていた頃の話である。

この単純な観察結果に論理的説明を追求した結果、一部のヘム酵素は活性部位外や酵素表面および周辺部、或いはバルク相の内部環境中で触媒反応を起こす為に拡散性活性酸素種 Diffusible reactive species(DROS)を利用するというアイデアの着想に至った。このアイデアは翌数年間発表できなかった。「酵素反応が活性部位外で触媒される場合にも
・選択性…A/B/C/Dの混合物から基質Bを選択
・特異性…α/β/γ/ωの座に結合可能な場合にβの座で基質Bを攻撃
を以て作用する」という説を許容できる人物など皆無だろうからだ。

だが後々、複数のヘム酵素系で再現性のある観察と推論が発表されるとLowellは私の見解を支持するようになり[1]、元々彼のラボで始まった一部の研究に名義を貸してくれた[2-4]。

ヘム酵素とDROSの相互作用に関する大まかな認識の齟齬は2001年に発表したが[5]、Murburn構想の基礎は2006年に発表した独創的な通信2編を基にしている[6,7]。HPOに関する私の見解をLowellが認めたことでこの研究[6]は何度も(200回以上)引用されたが、CY シトクロムP450[7]に関してはそうはいかなかった。

酸化還元生物学の新パラダイムの本質を突く用語に"Murburn"を選んだのは個人的な趣味嗜好であり、2014年に産まれた。インドのDMPK-2015(NIPER-Mohali)、米国のGRC-Drug Metabolism-2015(Holderness)、MECC-2015 (Chicago)、ISSX-2015(Orlando)等の国際会議でのポスター発表[8]を経て、この構想のミクロソーム分画異物代謝(mXM)への応用理論が同業者からの精査を受けることとなった。

2016年に遂にMurburn構想はヘム/フラビン酵素学の力学的説明となる4本の原著論文で発表された[9-12]。私のグループに続いて発表された論文がその核心部分を拡張し、ここでメカニズムのスナップショットも提供された(図1)。

2019年末までにMurburn構想は好気呼吸の説明にも応用され、約2ダース分の査読論文が有名雑誌に掲載された[2-5, 7-26]。その凡そ半分はタイトル/要約/本文に新用語"Murburn"を直接引用している[9-12, 20-26]。これらとは別に招待論文が印刷中であり[27]、重要な未発表論文3本も有名なプレプリントポータルに公開されている[28-30]。本稿では(要旨で述べた通りの)Murburn構想を弁護/提唱することとする。

Murburn構想の根拠と意義：簡易説明

生命プロセスには、生体物質を構成する分子/イオンに一過性の変化を及ぼす電子や官能基/部分 moietiesの輸送が関与する。分子レベルならこれこそが「生命活動」である。熱エネルギーや化学エネルギー(ATPのような分子形態)は生命機能を果たす電磁力を生む一番の供給源である。つまり、凡有る「知的な生命の表現型」はこの「非-知的動力」の論理に依存する。即ち、ATPや熱が無ければ一切の思考は疎か瞬きすらできない。Murburn構想が主演を務めるのは上述の生物学や化学-物理学領域である。

カオス統計的/確率論的な相互作用平衡スキームは、秩序的生命が必要とする2つの重要な特徴：(i)選択性や特異性の原始的な指向性の原理 (ii)生得的なオン/オフ制御や段階的制御を可能にする。従って「超分子知性 supra-molecular intelligence」(細胞核などの小器官や脳などの器官が持つもの)が存在せず、また親和性や収着ベースの指向性と制御のモダリティが進化を遂げる以前に於ける生命の発生や進化、滋養に必要とされたのは粗雑なMurburn構想であった[24]。これは以下のパラグラフで因果論と現象学の類推で更に説明する。

燃焼とは一般に分子状酸素が適切な物質と反応する時に観察される自然現象である。通常は二酸化炭素や水蒸気などのガスに加え、大量の熱と光が発生する。炎とはこれらガスと、そのイオン中間体の雑じるラジカルで構成される。燃料エンジンによる燃焼は更に制御されている。チャンバーでガソリンを燃焼させるとガスが膨張し、熱の発散が最小限となる為に有用である。

これに似たプロセスが細胞系で起こると想像して欲しい。但し、遥かにスケールは小さく、閉鎖的かつ穏やかな環境で炎も発生しない。ここに燃料基質を適切な濃度で「触媒機能を持つ反応剤」へと投入し、酸素が定常速度で流入すると、少ない熱で多くの反応生成物が動的に生成される。

これがMurburn構想である。つまり、(生体物質を構成する！)分子と遊離/結合イオンが一過性のラジカルを生み、細胞に必要で有用な電子移動や官能基輸送を遂行するという非制限的な相互作用/反応パラダイムである。

中間ラジカルは通常酸素中心であり(ジラジカル diradicalの為だが、他の部分 moietiesも効率は劣るが同じ機能を持つ)、選択性の向上と付随的損傷を最小限に止める為に反応はリン脂質界面で発生する。この「燃焼」の選択性は、オイルに浸した布生地に着火した時に非常に似ている。オイルがある限り布生地の燃焼は遥かに軽微に抑えられる[24]。もっと洗練された表現をするなら、キッチン(細胞内小器官)でナイフ(酸素中心ラジカル)を使うようなものである[27]。ナイフは料理人の手を傷付ける(タンパク質や脂質の酸化的損傷)かもしれないが、手袋(酸化還元酵素)とまな板(抗酸化物質)、ナイフ操作の熟練(定常輸送)があれば、キッチン/料理人を傷付けずにナイフの潜在能力を引き出すことができる。

Murburn構想の生態生物学と医学への応用

Murburn構想がHPOの活性に言及する以上、環境中のリグノセルロースやハロゲン化生物有機物のリサイクルの説明にもなる。複雑な肝ミクロソーム異物代謝は単純なHPO系と多くの点で比較できる[24]。

薬物動態学に関する最新の教科書やレビュー論文[31,32]にあるP450camモデルに基づく説明パラダイムによると、異物が肝ミクロソームのCYP450に結合すると、タンパク質の立体配座 コンフォメーションや酸化還元状態が変化し、タンパク質-タンパク質結合と長距離電子トンネリングを介して独自のフラボ酵素であるCYP還元酵素(CPR)からの電子輸送を促進する。この高忠実度の酵素-基質結合がヘム中心酵素活性に不可欠であり、また遠位ヘムポケットに局在するFe-O種が体内に侵入する様々な薬物や異物分子を代謝する[31,32]。

この多分子連続反応的な非現実的化学スキームに、我々は単純な進化論のロジックで反論した。異物が悉くヘム活性サイト内に親和性ベースで結合する可能性は非常に低く、従って活性サイトでの基質の長期的結合はオッカムの剃刀により好ましくない[7-9, 12]。また、少数/単独のCPRと多数/多様なCYPsとの電子移動がDROSならば簡単に中継可能だと示した[10]。

肝ミクロソーム分画異物代謝(mXM)系を更に追究した我々は、教科書にあるP450camモデルを反証し、且つMurburn理論を支持する50の理論的・実験的論拠を提示した。これはmXMをテーマとする有名な雑誌に再度掲載された[12]。75億人の人類と未知数の動物に関わり、また1兆ドル規模の製薬産業に直接影響するこの重要な研究の非自己引用数は過去3年半で僅か2件[33,34]であった！

細胞生化学の既存パラダイムはこの異端の生理学的用量反応を説明するに足る視点を提供しない。それは、酵素的触媒反応と受容体-リガンド結合媒介シグナルカスケードがどちらも一方通行の為である[21]。即ち、分子濃度や刺激が増加すると反応信号の増加を伴うこととなり、これが飽和点に到達すれば分子/刺激が有毒/有害なものになる場合がある(ならない場合もある)。だから得られる活性プロファイルはベル曲線か双曲線型となる。

Murburnスキームではラジカル中間体が濃度依存的に安定化する。またそうした中間体は低濃度ほど安定化し、更に複雑な組み合わせでの相互作用平衡では反応機序も変わる為、低濃度や離散的濃度ほど向上する活性が説明可能である(高濃度ではこうした活性は起こらない可能性もある!)。

我々はホルミシスと独特な用量反応をHPOやmXMモデルで説明する具体的な分子運動のメカニズムを初めて提供した。モデルに基づく予測がまず発表され[11]、最近、この件をテーマとする一流雑誌で実証された[21]。この研究は、Murburn反応モデルが代謝学的にも生理学的にも実行可能な概念だと証明した。

比較的単純なHPO-mXM系と複雑なミトコンドリア酸化的リン酸化との類似性から、ミトコンドリア生理学の囲炉裏/原子炉モデルを提唱した[20, 24]。Murburn的に捉えると、酸化的リン酸化機構(ATPを熱を生む生命のパワーロジック！)に於ける様々な膜複合体は酸素を活性化してDROSを調節し、界面上に結合したADPと効率よく反応させる(mXMと同じ！)為に存在し、そうしてATP形成に至る。

この領域の抜本的な改革を迫り、Murburnパラダイムを支持する5つの重要論文を昨年末までに発表した[20, 22-25]。5つの論文では、重大な欠陥を抱える化学的浸透圧パラダイムという単純な『免責事項』を強調した(大学院レベルの生化学知識で理解できるのに！)。ミトコンドリア内部には10⁶個の(プロトンポンプとされる)膜タンパク質があるが、マトリックスに遊離プロトンは6個未満しかない為である。これではプロトンポンプは機能しない！

更に、酸素は簡単に拡散し、膜上の凡有る酸化還元活性タンパク質と反応する為、従って「電子伝達系」は存在し得ないとも指摘した。また、複合体Ｖは生理学的ATP合成酵素になり得ない。何故ならこのタンパク質は(ADPでなく！)ATPにより高い親和性を持つ為であり、またこのような構造-機能の帰属は間違いなく反進化論的「還元不能な複雑さ」に該当する為だ。我々が最近発表した酸化的リン酸化総説論文では、旧Keilin-Mitchell-Boyerの説明が見当違いであり、Murburnが蓋然的である30の根拠を列挙した[26]。

以下の未発表の著作/論文は現在、有名なプレプリントポータルで閲覧可能である。
(i)「酸素発生型光リン酸化のメカニズムに関する批判的分析」[28]
(ii)「酸化的リン酸化に対するシアン化物の影響」[29]
(iii)「細胞呼吸に於けるNADH∔プロトン＋酸素の役割および代謝と生理学の関連性の再定義」[30]

bioRxiv(プレプリントサイト)のシアン化物論文だけで僅か数か月で1000ビュー以上(200回以上のダウンロード)を集めた[29]。だが文献に裏付けられる具体的な実験的/定量的論拠を提示しても尚未発表のままであり、こうした研究を引用して方針転換する者は殆どいないようだ！

だから高評価/出版済の研究に対する(Popper哲学に則る)率直な批判で民衆が気付いて顧みてくれることを願う！mXM研究グループは如何なる変化にも猛烈に反発するだろうが(金銭的利害が絡むからだ！)、酸化的リン酸化の研究グループは生命の根本的側面を扱う精鋭/熟練集団である。そこで、最近(一流の関連雑誌で)発表したリン酸化ルーチン関連の生体エネルギー学論文7本(I～VII)にフォーカスし、この領域で波紋を呼ぶMurburn構想が他分野にまで知れ渡ることを期待する。

表1は、生体エネルギー的酸化的リン酸化ルーチンが特別な機械電気的スキームではなく、HPO/mXM系と同様、単に複雑なヘム/フラビン-DROS反応系だと関係者全員に提示するものである。

これは特に、HPO/mXM/酸化的リン酸化が「ヘム-Fe触媒＋スーパーオキシド結合物」「酵素系全体＋NADPH＋O₂」という還元主義的方法で十分に機能し得る為である。この模擬実験上の類似性は、何れの場合もラジカルDROSが機能的中間体として関与することを明示している。これを前提に本稿の核心に迫ろうと思う。