酪酸発酵は、嫌気性細菌によって酪酸を生成するプロセスです。このプロセスは、泥、発酵食品、腸管、糞便など、多くの嫌気性環境から分離可能なクロストリジウム属細菌で一般的に行われています。 [1] クロストリジウム属細菌は炭水化物を酪酸に発酵させ、水素ガス、二酸化炭素、酢酸などの副産物を生成します。酪酸発酵は現在、様々な生化学製品やバイオ燃料の製造に利用されています。

ヒトの酪酸は、下部腸管で食物繊維を発酵する嫌気性微生物に由来します。酪酸は、免疫反応や炎症反応、そして腸管バリアの形成に重要な役割を果たします。短鎖脂肪酸の存在は腸管のpHを低下させ、酪酸産生細菌の最適な増殖を可能にします。酪酸発酵に用いられる2つの主要な代謝経路は、ブチリルCoAリン 酸化と酢酸CoAトランスフェラーゼです。

微生物生合成

酪酸生合成経路の一つ。関連酵素：アセトアセチルCoAチオラーゼ、NADおよびNADP依存性3-ヒドロキシブチリルCoA脱水素酵素、3-ヒドロキシブチリルCoA脱水酵素、およびNAD依存性ブチリルCoA脱水素酵素。

酪酸は、偏性 嫌気性 細菌によるいくつかの発酵プロセスによって生成されます。[2]この発酵経路は、1861年にルイ・パスツールによって発見されました。[1]酪酸を産生する細菌種の例としては、以下のものがあります。

この経路は、ほとんどの生物と同様に、グルコースを解糖系で2分子のピルビン酸に分解することから始まります。ピルビン酸は、ピルビン酸：フェレドキシン酸化還元酵素によってアセチルコエンザイムAに酸化されます。廃棄物として、2分子の二酸化炭素（CO 2）と2分子の水素（H 2）が生成されます。その後、発酵の最終段階でATPが生成されます。グルコース1分子あたり3分子のATPが生成され、これは比較的高い収率です。この発酵の平衡式は以下のとおりです。

C 6 H 12 O 6 → C 4 H 8 O 2 + 2CO 2 + 2H 2

酪酸を生成する他の経路としては、コハク酸の還元とクロトン酸の不均化反応があります。

いくつかの菌種は、酪酸発酵から始まる代替経路で アセトンとn-ブタノールを生成します。これらの菌種には以下のものがあります。

これらの細菌は、前述のように酪酸発酵から始まり、pHが5を下回ると、pHのさらなる低下を防ぐためにブタノールとアセトンの生成に切り替えます。アセトン1分子につきブタノール2分子が生成されます。

経路の変化はアセトアセチルCoAの形成後に起こります。この中間体は、以下の2つの経路をとる可能性があります。

  • アセトアセチルCoA → アセト酢酸 → アセトン
  • アセトアセチルCoA → ブチリルCoA → ブチルアルデヒド → ブタノール

酪酸は食物繊維によって2つの異なる代謝経路を経て生成されます。最初の代謝経路は、ブチリルCoAがリン酸化されてブチリルリン酸となり、これが酪酸キナーゼによって酪酸に変換される経路です。2つ目の経路は、ブチリルCoAのCoA部分がブチリルCoA：酢酸CoAトランスフェラーゼによって酢酸に転移され、酪酸とアセチルCoAが生成されます。これらの代謝経路によって酪酸が生成されます。[3]

商用利用の申請

商業目的では、クロストリジウム属は酪酸またはブタノールの生産に好んで使用されます。酪酸発酵によって生産される酪酸は一般的な食品添加物であり、バター、牛乳、チーズ、植物油などの製品に含まれています。クロストリジウム属の一部の種は、生化学物質やバイオ燃料を生産することができます。この発酵プロセスはアセトン、ブタノール、エタノールを生産することができ、バルク化学物質生産に使用された最初の商業発酵プロセスの一つです。この種はまた、治療、研究、さらには化粧品（香水など）にも使用されています。ヨーグルトの製造などのバイオプロセスにも応用されており、プロバイオティクスに使用される最も一般的な種はクロストリジウム・ブチリカムです。[4]

代謝における役割

酪酸は、腸内微生物発酵の主要産物の1つであり、人体の恒常性維持において多くの代謝的役割を果たしています。酪酸は、エネルギー消費を増加させ、高脂肪食（HFD）による肥満に対抗することが分かっています。これは酪酸が熱産生を活性化するためで、脂肪組織においてタンパク質をエネルギー使用と体温から切り離すことで化学エネルギーを消散させる機能があります。酪酸はまた、脂肪酸酸化を促進し、HFD誘発性のトリグリセリド上昇を抑制し、呼吸交換比を低下させます。肥満や糖尿病などの代謝障害では、インスリン感受性の低下や膵β細胞機能不全によりグルコース恒常性が機能不全に陥り、インスリン分泌が減少する可能性があります。酪酸は、膵β細胞の発達を改善し、インスリン感受性を改善することで、グルコース恒常性の調節を助けることが示されている。また、β細胞自己免疫疾患を持つ小児では、酪酸産生腸内細菌の数が少ないことも示されています。[5]

腸の炎症

腸内に酪酸が存在すると、IFN-γ、TNF-α、IL-6、IL-8の産生が阻害されます。これらは炎症性サイトカインであり、炎症を増強し、組織破壊を引き起こす可能性があります。また、酪酸は抗炎症性サイトカインであるIL-10とTGF-βの産生を誘導する作用もあります。短鎖脂肪酸は好中球の動員を調節し、免疫応答を改善する作用があります。これは、慢性炎症性の性質を持つ炎症性腸疾患において臨床的に意義があります。炎症性腸疾患では、酪酸産生細菌の減少が認められ、腸粘膜バリアの防御機構が大幅に低下します。[6]

参考文献

  • Du, C.; Webb, C. (2011年10月14日). 「細胞システム」.包括的バイオテクノロジー. 包括的バイオテクノロジー. pp.  11– 23. doi :10.1016/B978-0-08-088504-9.00080-5. ISBN 978-0-08-088504-9。
  1. ^ ab ホワイト, デイビッド; ドラモンド, ジェームズ; フークア, クレイ (2012). 『原核生物の生理学と生化学』（第4版）. ニューヨーク: オックスフォード大学出版局. ISBN 978-0-19-539304-0。
  2. ^ Seedorf, H.; Fricke, WF; Veith, B.; Bruggemann, H.; Liesegang, H.; Strittmatter, A.; Miethke, M.; Buckel, W.; Hinderberger, J.; Li, F.; Hagemeier, C.; Thauer, RK; Gottschalk, G. (2008). 「ユニークな代謝特性を持つ厳密な嫌気性菌、Clostridium kluyveri のゲノム」. Proceedings of the National Academy of Sciences . 105 (6): 2128– 2133. Bibcode :2008PNAS..105.2128S. doi : 10.1073/pnas.0711093105 . PMC 2542871. PMID  18218779 . 
  3. ^ Liu, Hu; Wang, Ji; He, Ting; Becker, Sage; Zhang, Guolong; Li, Defa; Ma, Xi (2018). 「酪酸：健康にとっての両刃の剣？」Advances in Nutrition . 9 (1): 21– 29. doi :10.1093/advances/nmx009. ISSN  2161-8313. PMC 6333934. PMID 29438462  . 
  4. ^ Zigová, Jana; Šturdı́k, Ernest; Vandák, Dušan; Schlosser, Štefan (1999年10月). 「抽出と分画の統合によるClostridium butyricumによる酪酸生産」 . Process Biochemistry . 34 (8): 835– 843. doi :10.1016/S0032-9592(99)00007-2.
  5. ^ Zhang, Lin; Liu, Chudan; Jiang, Qingyan; Yin, Yulong (2021-03-01). 「エネルギー代謝における酪酸：まだまだ学ぶべきことがある」 . Trends in Endocrinology & Metabolism . 32 (3): 159– 169. doi :10.1016/j.tem.2020.12.003. ISSN  1043-2760. PMID  33461886.
  6. ^ シディキ、モハメド・タウシフ;クレッシ、ゲイル AM (2021-11-18)。 「酪酸塩の免疫調節機能」。炎症研究ジャーナル。14 : 6025–6041 .土井: 10.2147/JIR.S300989。PMC 8608412。PMID  34819742。