酪酸発酵
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酪酸発酵（英: butyric acid fermentation）は、嫌気性細菌によって酪酸を生成する発酵反応である。この発酵は、泥、発酵食品、腸管や糞便などの多くの嫌気性環境から分離できるクロストリジウム属細菌で一般的に起こる[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する。酪酸発酵は現在、さまざまな生化学物質やバイオ燃料の生産に利用されている。
ヒトにおける酪酸は、下部消化管で食物繊維を発酵させる嫌気性微生物に由来する。酪酸は、免疫応答や炎症反応、腸管バリアの形成において重要な役割を果たす。短鎖脂肪酸の存在は腸内pHを低下させ、酪酸菌の最適な増殖を可能にする。酪酸発酵に用いられる主要な代謝経路は、ブチリルCoAリン酸化と酢酸CoA転移酵素の2つである。
酪酸は、偏性嫌気性細菌によって行われるいくつかの発酵反応によって生成される[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た[1]。酪酸を生成する細菌種の例としては、次のものが挙げられる。
- クロストリジウム・ブチリカム
- クロストリジウム・クルイベリ
- クロストリジウム・パストゥリアナム
- ファエカリバクテリウム・プラウスニッツィ
- フソバクテリウム・ヌクレアタム
- ブチリビブリオ・フィブリソルベンス
- ユウバクテリウム・リモスム
この経路は、ほとんどの生物と同様に、グルコースが解糖によって2分子のピルビン酸に分解されることから始まる。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触媒され、アセチルCoAに酸化される。2分子の二酸化炭素と2分子の水素が老廃物として生成される。続いて、発酵の最終段階でATPが生成される。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ある。この発酵の収支式は次のとおりである。
- C
6H
12O
6 → C
4H
8O
2 + 2CO
2 + 2H
2
酪酸への他の経路としては、コハク酸還元およびクロトン酸不均化反応が挙げられる。
| 反応 | 酵素 |
|---|---|
| アセチルCoAはアセトアセチルCoAに変換される | アセチルCoAアセチルトランスフェラーゼ |
| アセトアセチル補酵素Aはβ-ヒドロキシブチリルCoAに変換される | β-ヒドロキシブチリルCoAデヒドロゲナーゼ |
| β-ヒドロキシブチリルCoAはクロトニルCoAに変換される | クロトナーゼ |
| クロトニルCoAはブチリルCoA（CH 3CH 2CH 2C=O–CoA ）に変換される | ブチリルCoAデヒドロゲナーゼ |
| リン酸基がCoAと置換してブチリルリン酸を形成する。 | ホスホブチリラーゼ |
| リン酸基はADPと結合してATPと酪酸を生成する。 | 酪酸キナーゼ |
いくつかの種は、酪酸発酵を起点とする別の経路でアセトンとn-ブタノールを生成する。これらの種には以下のようなものがある。
アセトンとブタノールの最も著名な生産菌は、次の、
- クロストリジウム・アセトブチリカムは、工業用途にも利用されている。
- クロストリジウム・ベイジェリンキイ
- クロストリジウム・テタノモルファム
- クロストリジウム・アウランティブチリカム
これらの細菌は、前述のように酪酸発酵から始まるが、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わる。アセトン1分子につき、ブタノール2分子が生成される。
経路の変化はアセトアセチルCoAの生成後に起こる。この中間体はその後、2つの経路をたどる可能性がある。
酪酸は食物繊維から2つの異なる代謝経路を経て生成される。1つ目の代謝経路は、ブチリル-CoAがリン酸化されてブチリルリン酸となり、酪酸キナーゼによって酪酸に変換される経路である。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が生成される経路である。これらの代謝経路によって酪酸が生成される[3]。
商用利用への応用
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る。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る。クロストリジウム属の中には、生化学物質やバイオ燃料を生産できる種もある。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、大量化学品生産に使用された最初の商業発酵プロセスの1つである。この菌種は、治療、研究、さらには化粧品（香水など）にも使用されている。また、ヨーグルトの製造などの発酵にも応用されており、プロバイオティクスとして最も一般的に使用されている菌種はクロストリジウム・ブチリカムである[4]。
代謝における役割
腸内微生物発酵の主要産物の一つである酪酸は、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る。酪酸は、高脂肪食による肥満に対抗するためにエネルギー消費を増加させることがわかっている。これは、酪酸が熱産生を活性化するためである。熱産生とは、脂肪組織においてタンパク質とエネルギー利用および体温との結合を解除することで化学エネルギーを放出する機能である。酪酸はまた、脂肪酸酸化を促進し、高脂肪食によって誘発されるトリグリセリドの上昇を抑制し、呼吸交換比（呼吸商）を低下させる。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臓β細胞の機能不全によりグルコース恒常性に異常が生じ、インスリン分泌量の減少につながる可能性がある。酪酸は、膵臓β細胞の発達を促進し、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子供では、酪酸産生腸内細菌の量が少ないことも示されている[5]。
