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浦上財団研究報告書

Vol.29（2022）＜令和 2 年度助成＞

次世代型プレバイオティクスの開発
中井博之（新潟大学 農学部）

近年、腸内細菌叢のバランス崩壊に伴って生じる菌によって栄養源として利用されるが、既存のプレ様々な疾病がヒトの健康寿命の伸長を阻んでいる。

バイオティクスは腸内常在菌による資化についてはヒトはその腸管内に重量にして 1 kg、主なものだけ考慮されずにデザインされているため、善玉菌以外で 1,000 種類以上、細胞数にしてヒト細胞とほぼ同の腸内常在日和見菌の増殖も促進させてしまうとの数の腸内細菌を保持しており、これまで肥満（Nat.

報告もある（Gut Microbes 13, 1973835（2021））。

Metab. 1, 34-46（2019））、 糖 尿 病（Nature 514,

従って、大腸に到達した既存プレバイオティクスは181-186（2014））、大腸ガン（Cell 171, 1015-1028

腸内細菌叢の大多数を占める腸内常在日和見菌に（2017））、感染症（Cell 171, 1015-1028（2017））、「横取り」され、目的の善玉菌に行きわたらない可自閉症（Cell 177, 1600-1618（2018））などの疾患能性があるため、効率性に問題を有する。また、腸に腸内細菌叢が強く関与しているとの報告がなされ内常在日和見菌の中でも、最優勢 6 位の Bacteroidesている。さらに、腸内細菌叢は認知能力（Transl.

caccae は腸管粘膜中のムチンを「食害」し、腸管バ

Psychiatry 11, 194（2021））、運動能力（Nat. Med.

リアを毀損すること（Cell 167, 1339-1353（2016））、25, 1104-1109（2019））、 薬 物 代 謝（Nature 597,

最優勢 32 位の Bacteroides dorei においては乳児期533-538（2021））にも影響を与えると近年報告さに腸内細菌叢中で大きな比率を占めた場合に自己免れている。このように、腸内細菌がヒト健康に及ぼ疫疾患のリスクが増加すること（Cell 165, 842-853

す影響は甚大かつ多方面にわたっていることから、（2016））などが報告されている。これらのことは、腸内細菌叢を「もう一つの臓器」と捉える考え方がヒト腸内細菌叢において大多数を占める機能未知の広がってきている。腸内細菌叢を構成する細菌は、腸内常在日和見菌の中に病原性を有する細菌が含ま

保健効果の報告されている善玉菌、病原性を有するれており、今後の腸内細菌学の進展により順次発見

悪玉菌、機能未知の日和見菌に分類でき、ヒト腸内でされていくことを示唆している。また、近年の腸内細菌数の多い菌種（腸内常在菌叢最優勢種（Nature

細菌学の進展は、強い炎症抑制効果を持ち、潰瘍性464, 59-65（2010）））の 95% 以上は、現在のところ大腸炎などの寛解に重要な役割を果たす酪酸を生産

日和見菌に分類されている（以降、腸内常在日和見する Faecalibacterium prausnitzii （最優勢 13 位）な菌と記述する）。プレバイオティクスは、これらのどの酪酸菌や、Akkermansia muciniphila （Nat. Med.

細菌のうち善玉菌を腸管内で増殖させる目的で我々

23, 859-868（2017））などの腸内常在日和見菌をヒトが経口摂取する物質であり、サプリメントや食善玉菌として再定義しつつあるが、既存プレバイオ品添加物として用いられている。経口摂取されたプティクスが増殖促進の対象とする菌種はビフィズス

レバイオティクスは大腸に到達する必要があるた菌や乳酸菌などの伝統的な善玉菌に限定されていめ、ヒトの消化酵素には分解されない難消化性糖質る。そこで、健康寿命の延伸、腸内細菌叢バランスが用いられる。大腸に届いたプレバイオティクスはの崩壊と疾病の発生、腸内細菌叢制御の効率向上、多種多様な糖質分解酵素や糖輸送体を有する腸内細超高齢化社会を迎える日本の現代社会におけるこれ

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ら喫緊の課題を解決するために、病原性を有する腸のグリコシド結合と同じ結合しか生成しないため、内常在日和見菌や悪玉菌を増殖させずに、ヒトの健多種多様なオリゴ糖の大量調製は困難を極める。そ康保持増進に有益な善玉菌のみを選択的に効率良くこで今回、筆者らが独自に見出してきたホスホリ増殖させることができる新たなプレバイオティクス

ラーゼを活用することで、新規なオリゴ糖を含む多「次世代型プレバイオティクス」の開発が今後必須

種多様なオリゴ糖を大量調製した。ホスホリラーゼ

であると考えた。

は、無機リン酸存在下でオリゴ糖を含む糖質を分解して糖 1 リン酸を生成する反応を触媒すると同時に、本研究では、オリゴ糖合成に有用な糖質関連酵素

糖 1 リン酸と糖受容体を出発物質とした際はオリゴ（主に糖質加リン酸分解酵素：ホスホリラーゼ）を糖合成反応を効率良く触媒する。当該合成反応は、活用して独自で調製した新規オリゴ糖を含むオリゴホスホリラーゼ独自が持つ高い反応位置選択性によ糖ライブラリーを対象とし、上記ヒト腸内常在菌叢

り、特定のグリコシド結合を有するオリゴ糖のみを最優勢種等を用いたハイスループット資化性試験を特異的に合成することが特徴である。また、糖供与実施することで、ヒトの健康保持増進に有益な善玉体と糖受容体の組み合わせにより、多種多様なオリ菌のみを増殖させ、効率的な腸内細菌叢改善を可能ゴ糖を選択的に生産できる利点もある。さらに、加とする次世代型プレバイオティクスを探索した。一リン酸分解反応による安価な糖質資源からの糖 1- リ

般的に、水溶液中で行われるグリコシド結合の消長ン酸生産と各種オリゴ糖合成反応を組み合わせた汎の際に脱水縮合反応を進行させること、および単糖用的オリゴ糖合成技術（図 1）を用いて、合成オリを重合させる反応は本質的に困難である。また糖転ゴ糖の腸内細菌叢資化性評価に用いる g 単位でのオ移酵素などによるオリゴ糖合成反応では基本的に元リゴ糖調製を可能とした。次に、ヒト腸内常在菌叢

図1

オリゴ糖合成スキーム

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浦上財団研究報告書

Vol.29（2022）

最優勢種、善玉細菌、悪玉菌などを配置した使い捨

ダーメイドプレバイオティクスの開発にも繋いでいてのグリセロールストックから植菌スタンプを用いきたいと考えている。て、調製したオリゴ糖を含む培地が分注された 96
穴プレートに植菌し、OD600 を指標に嫌気チャン

謝辞

バー内で培養した各細菌の生育度を測定した。in

本研究の遂行にあたり、研究助成を賜りました公

silico 予測が困難な腸内細菌の糖資化性を、様々な益財団法人 浦上食品・食文化振興財団に厚く御礼を炭素源存在下で多種多様な細菌を効率良く培養する申し上げます。

ことにより解明できる点で大きな優位性を持つハイスループット培養手法である（図 2）。その結果、病原性を有する腸内常在日和見菌や悪玉菌を増殖させずに、ビフィズス菌や乳酸菌、その他の有用腸内細菌、各々を選択的に増殖可能なオリゴ糖を複数見出すことができ、これまで明らかにされてこなかったオリゴ糖の腸内細菌資化性と構造の相関の一端が解明された。今後、これらの次世代型プレバイオティ
クスによる増殖選択性のメカニズム解明を実施し、将来的には個人差の大きい腸内細菌叢に応じたオー

図2

腸内細菌ハイスループット培養手法

Development of next generation prebiotics

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Development of next generation prebiotics
Hiroyuki NAKAI
Faculty of Agriculture, Niigata University

Humans maintain a complex gut microbiota, and a recent metagenomic study
estimated the number of types of microorganisms to be in the thousands. The
number of bacteria is comparable to the number of cells in their host, thehuman body. The gut microbiota is composed of beneficial bacteria with healthpromoting effects, pathogenic bacteria that can cause disease, andopportunist ic bacteria that have not been shown to cause acute disease.
However, neither the long-term health-promoting effects nor the health hazardso f o p p o r t u n i s t i c b a c t e r i a a r e w e l l u n d e r s t o o d . R e c e n t l y, 5 6 o f t h e m o s t
prominent species in the human gut were reported using a non-cultivation
method, and most were found to be opportunistic bacteria. In order to develop
next-generation prebiotics that specifically enhance the growth of beneficial
and probiotic bacteria without promoting the growth of opportunistic andpathogenic bacteria, we screened oligosaccharides with various enzymaticallysynthesized structures, and verified whether each of these oligosaccharides canbe utilized by each type of bacteria.