私のカロテノイド研究
生産開発科学研究所理事、食物機能研究室長

眞岡孝至

１．はじめに
私のカロテノイド研究歴は1978年に京都薬科大学の卒業研究として手掛けて以来今年で43年になります。このレビユーではこれまでの私のカロテノイド研究活動をふり返り随想的に述べてみます。
初めにカロテノイドとはどのような物質であるかについて説明します。カロ
テノイドは赤、橙、黄色を呈する脂溶性のテトラテルペン色素で微生物、植物、動物に広く存在しています。ニンジンのβ-カロテン、トマトのリコペン、トウガラシのカプサンチン、卵黄のルテイン、エビやカニのアスタキサンチンなどが良く知られています。カロテノイドの構造は分子の中央部に存在する9個の共役二重結合系（ポリエン鎖）とその両端に着くエンドグループから構成されます。カロテノイドはその分子内に存在する共役二重結合（ポリエン）系により赤、橙、黄色などの色を発現しています。共役二重結合が９つで黄色、それ以上になると橙、赤色を示します。このポリエン鎖とその両端に存在するエンドグループの組み合わせにより数多くの構造のカロテノイドが存在します。カロテノイドは炭素と水素のみで構成される炭化水素化合物であるカロテン類とカロテン骨格に酸素原子がエポキシ基、カルボニル基や水酸基などの形で結合した含酸素化合物のキサントフィル類に分類されます。図1に代表的なカロテノイドの構造を示しました。
カロテン類

-カロテンリコペン

キサントフィル類
OHHO

-クリプトキサンチン

HOルテイン
OOH

OH

HOHO

ゼアキサンチンO

図１代表的なカロテノイドの構造
1

アスタキサンチン

カロテノイドは光合成生物が生産する物質量の0.1 % を占めるといわれています。カロテノイドが年間生産される量は年間約1億トンと考えられています。
二次代謝産物としては天然に最も広く分布する化合物の一つです。微生物と植物はカロテノイドを酢酸やメバロン酸などから生合成することができますが、動物は酢酸やメバロン酸などの前駆体から自らカロテノイドを生合成すことはできません。このため動物の体内に存在するカロテノイドはすべて食物から摂取されたものに由来しています。植物（水中では藻類）食性の動物は植物（藻類）を食べることにより直接それらが産生したカロテノイドを体内に取り込みます。肉食性の動物は食物連鎖により植物（藻類）食性の動物が植物(藻類)から取り込んだカロテノイドを摂取します。我々を含め動物に存在するカロテノイドのほとんどは藻類や陸上植物など光合成生物の生産したものに由来します。
それぞれの動物は食物からカロテノイドをただ取り込むだけでなく代謝変換しています。その代表例の一つがカロテノイドからビタミンAへの変換です。
2. 京都薬科大学でのカロテノイド研究
私は京都薬科大学で1977年に卒業研究で天然物薬品製造学教室（松野隆男教授）に所属しました。その時は一つでも新しい天然有機化合物を見つけて構造決定をしたいという夢を持っていました。私の卒論のテーマはアキアカネ（赤トンボ）に含まれるカロテノイドの研究でした。先ず研究用のサンプルであるアキアカネを採集することからスタートしました。9 月に大学の周辺の田園に捕虫網をもって出かけてトンボ数百匹を集めました。当時の分析機器としては
紫外可視部吸収スペクトル（UV-VIS）や赤外線吸収スペクトル（IR）、分離手段としてはカラムクロマトグラフィーや薄層クロマトグラフィー（TLC）しかない時代でした。色々苦難の末にアキアカネからβ,γ-カロテンという菌類にしか存在報告がないカロテノイドを見出しました。分析機器が揃っていない当時のことですので本物質の同定はβ-カロテンから化学的に誘導して半合成したβ,γ-カロテンとアキアカネからとった本カロテノイドのUV-VIS スペクトルが一致する事、さらにTLC上で両者が一致することを確認して行い卒論を何とか完成しました。この成果は1978年の薬学会近畿支部総会で発表しました。昆虫のカロテノイドとしては昆虫の餌になる陸上植物に由来するβ-カロテンやルテインとその代謝産物が知られていましたが、菌類にしか存在報告がないβ,γ--カロテンがなぜアキアカネに存在するだろうという本質的な疑問は残ったままでした。この謎は40 年後の2018 年になってようやく解明されます。
これが私のカロテノイド研究のスタートでした。
修士課程での研究テーマは二枚貝類のイガイやホタテガイのカロテノイドでした。これらの貝から新規カロテノイドを単離して構造決定することができま2した。この新規カロテノイドはホタテガイの学名に因みペクテノールと命名しました。この時は電磁石の80 MHz FT-NMR、EIMSや円偏向二色性スペクトル（CD）などが使えるようになり始めて天然有機化合物を構造決定する醍醐味を味わえました。天然物化学を専攻した夢「一つでも新しい天然有機化合物の構造決定がしたい」がかなえられました。
修士課程修了後に1981年から助手として同研究室に勤務しました。当時CRS出
版から教授に海洋生物に存在するカロテノイドの構造とその分布、生合成、代謝についての総説の執筆依頼がありました。そこで助手になり一年目の仕事はこの本を書くための資料集めでした。今ならパソコンとネットで文献を集めることができますが当時はそのようなものはないので図書館に通い ChemicalAbstractから関連の文献を検索してオリジナル論文をコピーして要点をカードに記述する作業が続きました。構造式を書くChem Drawのようなソフトもなかった時代ですので、ロットリングと定規を用いていちいちカロテノイドの構造式を手書きしました。生物の分類ごとにカロテノイドの構造式、その組成、生合成、代謝を書いたカードを作りその要点を教授に挙げて行きました。おかげでこの作業を通じて天然カロテノイドの構造（当時で500種ぐらい知られていた）やそれらの分布、生合成、代謝が頭に入りました。この仕事でカロテノイドの天然物化学的研究分野の研究状況を概観することができその後の私の研究に大いに役立ちました。
学位論文は天然カロテノイドの立体異性体（光学異性体）の分離とそれらの立体配置の決定です。一般に天然有機化合物は多くの糖ならD体、アミノ酸ならL 体と単一の光学異性体で存在する場合がほとんどです。しかしカロテノイドは例えばアスタキサンチンでは理論上考えられる3種の光学異性体がすべて存在します。特に動物に存在するカロテノイドは光学異性体の混合物で存在する場合が多いです。私はそれらをキラルカラムで分離する方法と分離された光学異性体の絶対構造をNMRと円偏光二色性（CD）スペクトル（場合により化学的誘導化を用いることもあります）により決定する仕事に取り組みました。その結果動物に含まれるアスタキサンチン、ゼアキサンチン、ルテインなどは光学異性体の混合物で存在すること、それらは食物連鎖と動物自身の独自の代謝経路を通じて生成する事などを明らかにしました。これが私の学位論文の仕事になり1991 年に薬学博士の学位を取得しました。この過程で多くの天然のカロテノイドの分離、分析、構造解析、誘導反応などのスキルを身に着ける事ができました。
３．生産開発科学研究所でのカロテノイド研究
1993年から下鴨神社の隣にある生産開発科学研究所に勤務しました。当研究3

所は1947年に京都大学内に自然科学的研究を通じて科学技術の振興と産業の発展を目的に設立された財団法人で企業や団体からの研究・技術指導の委託や知的財産権の実施等による収入を主たる財源として運営している研究機関でした。
国立大学が大学法人化する以前は大学での基礎研究と民間での技術開発を橋渡しする機関とし医学、薬学、工学、農学分野の多くの研究者が活発な活動をしていました。各研究室は企業や各種団体からの研究資金をもとに独立採算で運営されていて自主性が重んじられていました。私はこの研究所で天然物の利用に関する仕事や農水省の外郭団体である生研機構のプロジェクトに参加した後に2003年から自分で研究室を主宰することになりました。そこで、カロテノイドを中心とする天然の機能性成分を研究する部門を立ち上げました。この時私は大学とも企業とも異なる公益財団法人で末永く研究するにはどのような研究を進めていけば良いかという事を考えました。2000年代に国立大学が法人化されると大学と企業の共同研究が進み生産開発科学研究所が従来行っていた大学と企業の研究、技術開発を結びつける仕事がどんどん大学に流出して行きました。今まで生産開発科学研究所がおこなっていた大学発の基礎技術を応用開発して企業に橋渡しする仕事では早晩やっていけなくなる危機感がありました。
そこで考えたことはカロテノイドの天然物化学、分析化学の手法について徹底的に基礎研究を行ってスキルを磨き「カロテノイドの天然物化学、分析化学研究ならば私の研究室に頼めばできる」というブランドを持つことにより企業、研究機関からの研究依頼を受ける事をめざしました。カロテノイドは熱や光に不安定で分解しやすくしかも脂質の多い組織に存在するのでこれを扱うには熟練を要します。多くの研究機関がカロテノイドを手掛けていましたがこれらの理由で及び腰になるところもありました。そこで私の研究室にカロテノイドの仕事を依頼すれば他の機関でできないようなことも解決できるという信頼を得ることを目標に研究と技術開発を進めました。これらの課題を解決するため今まで身に着けてきた天然物有機化学研究のスキルと研究人脈が大いに役立ちました。またこの当時500 MHz のNMRやLC/MSなどの分析装置が研究所に導入されたことも幸いでした。この方針でカロテノイドに特化した研究室を立ち上げ数年ぐらいすると「他の機関に依頼しても結果が出ないものでも私のところへ依頼すれば何らかの結果が出る」という信頼を得る事ができました。さらに多くの大学、研究機関、企業との共同研究成果で発表できるものは積極的に発表してカロテノイド分野の学術貢献に寄与することも心掛けました。これらの成果はオリジナル論文として国内外のジャーナルに投稿しカロテノイドの基礎および応用研究に貢献することができました。
企業からの依頼研究の合間に時間を見て長年の私の夢である天然におけるカロテノイドの多様性と存在意義を解明するための自主研究を続けました。その4結果100種類を超える新規カロテノイドの構造研究を成し遂げることができました。たった一つでも天然有機化合物の構造研究ができたらという夢がいつしか100種類を超えていたのです。
4. 40 年のカロテノイド研究で明らかにしたこと
4.1 植物非光合成器官（種子や花でのカロテノイドの役割）
植物、藻類や光合成微生物の光合成器官ではクロロフィルが吸収できない青色の光のエネルギーをカロテノイドが吸収してクロロフィルに渡す役割をしています。さらにカロテノイドは過剰な光エネルギーを放散する役割も果たしています(図２)。このため光合成生物にとってカロテノイドは必須の物質です。
これらを担うカロテノイドは陸上植物ではβ-カロテンやルテイン、藻類ではフコキサンチンやペリジニンなどです。一方、果実、果皮、種子などの非光合成器官には様々な構造のカロテノイドが存在します。代表的なものはミカンのβクリプトキサンチン、トウガラシ（パプリカ）のカプサンチンやカプソルピン、トマトのリコペンなどです。果実は種子の成熟にともないカロテノイドやアントシアンなどの色素によって色づきます。これらの色素は種子を光酸化から保護していると考えられています(図２)。例えばトマトやトウガラシは果実に種子ができると共役系のより長い赤色のリコペンやカプサンチン、カプソルビンをそれぞれの前駆体の黄色カロテノイドから代謝変換して蓄積しています。植物の実が赤くなるメカニズムとその意義について私の研究を一つ紹介します。

光合成器官
光

過剰な光の散逸
クロロフィルの三重抗状態の消去
一重項酸素の消去

非光合成器官光

光捕集アンテナ色素

活性酸素の消去

カロテノイドカロテノイド光エネルギーをクロロフィルに渡す

昆虫
鳥

光酸化から種子の保護

植物ホルモン

カラーアトラクタント

香気成分

図２ 植物におけるカロテノイドの役割
トベラは常緑性の低木で海岸に自生し、生け垣や街路樹などとして用いられています。秋に鮮やかな赤色の種子をつけるので目にかけた人も多いと思います。図３に示したようにトベラの種子は若い時は朔果（種皮）におおわれ黄色カロテノイドのビオラキサンチンが主成分として含まれています。秋になり種子が成熟するとそれを覆っている朔果が三つに裂けて赤色の種子が露出します。
5

この種子の赤色色素は著者がトベラキサンチンと命名したカロテノイドでビオラキサンチンの5，6位が酸化開裂して生成したカロテノイドである前駆体のビオラキサンチンが9個の共役二重結合を持つのに対してこの赤色カロテノイドは2個多い11個の共役二重結合を持つのでより強力な一重項酸素の消去効果を示します。すなわちトベラは黄色のビオラキサンチンを赤色のトベラキサンチンに変換する事によって光酸化から種子を保護しさらにカラーアトラクタントしてヒヨドリなどの動物の目を引きやすくしていると考えられます（図3）。このように植物は種子を光酸化から保護するため、また種子を伝播するためカロテノイドを利用しているのです

図３ トベラ種子のカロテノイドの役割とその構造変換
4.2 食物連鎖による動物カロテノイドの蓄積とその役割
動物におけるカロテノイドの機能としてβ-カロテンなど一部のカロテノイドがビタミンAの前駆体（プロビタミンA）である事は古くから知られていました。しかしプロビタミンAになりうるカロテノイドは750種ほどある天然カロテノイドのうちわずか十数種類でそのほかのカロテノイドは単なる色素として存在すると考えられていました。この30 年間ほどの間に動物におけるカロテノイドの様々な機能が明らかになってきました。
前にも述べましたが動物は体内でカロテノイドを生合成することはできません。このため動物に存在するカロテノイドはすべて植物や藻類などが生産した
6

ものを直接摂餌して吸収したもの、食物連鎖を通じて蓄積したもの、さらに体内で代謝変換したものです。これらの過程によりカロテノイドの構造変換がおこりその結果さまざまな構造のカロテノイドが動物には存在すします。
動物におけるカロテノイドの食物連鎖を通じた蓄積と代謝変換、さらにその機能の一例を流氷の妖精として知られるクリオネで見てみましょう(図４)。ク
リオネの体は半透明なゼリー状で生殖巣や消化管が鮮やかなオレンジ色をしています。妖精のように可愛いクリオネは実は獰猛な肉食性動物でリマキナという貝殻の退化した小型巻貝を専ら食べています。リマキナは藻類を食べてジアトキサンチンというカロテノイドを吸収しています。クリオネの生殖巣の主カロテノイドはペクテノロンというカロテノイドでこれはリマキナの主カロテノイドであるジアトキサンチンの4位にカルボニル基の導入された構造です。ペクテノロンはジアトキサンチンに比べ強力な一重項酸化抑制作用を示します。すなわちクリオネは食物由来のカロテノイドをより抗酸化作用の強い形に代謝変換して生殖巣に蓄積していたのです。流氷の下の海は強い太陽光に曝されているのでペクテノロンなどのカロテノイドがクリオネの生殖巣を光酸化から保護していたのです。このように動物においてカロテノイドは生殖や発生の過程で重要な役割を果たしています。さらにカロテノイドは動物の免疫力の向上にも役立っていることが明らかになってきました。

図４ クリオネのカロテノイドの起源と食物連鎖を通じた構造変換

74.3 海産動物におけるカロテノイドの多様性
貝やホヤなどの海産動物はカロテノイドにより鮮やかな赤やオレンジ色をしています。これらの海産動物は餌となる藻類からβ-カロテン、フコキサンチンやペリジニンなどのカロテノイドを体内に取り込み代謝変換して蓄積しています。図５に二枚貝やホヤ類にみられるフコキサンチンの代謝産物を示しました。
フコキサンチンはエポキシ基、ケトン基、アレン結合などの官能基を持つておりそれぞれの動物で特異的な代謝をしているので様々な構造のバリエーションを持つ代謝物が存在します。その代謝変換でより強い抗酸化力を持つカロテノイドになります。

図５ フコキサンチンの貝やホヤによる代謝変換
4.4 カロテノイドの活性酸素消去の分子機構
カロテノイドは一重項酸素（1O2）の優れた消去剤であることは良く知られています。すなわちカロテノイドの共役二重結合（ポリエン）が一重項酸素のエネルギーを吸収して安定な三重項酸素に戻し、カロテノイドが吸収した過剰なエネルギーはポリエン部の伸縮振動により放出するというものです。私はカロテノイド自身が一重項酸素、ヒドロキシラジカル（•OH）、スーパーオキサイドアニオンラジカル（•O2–）、ペルオキシナイトライト（ONOO–）と反応してそれらを分子内に取り込み消去できるという事を見出ししました。カロテノイドがそ8

れらのラジカルと反応して生成した物質をいくつか見出しました。このように化学的なエビデンスを積み上げることによりカロテノイドの活性酸素種の化学的消去機構を明らかにすることができました(図６)。
O
OH

NO2

HO

15-Z configurationO

アスタキサンチンのポリエン部がニトロアスタキサンチン

ぺルオキシナイトライト

活性酸素、活性窒素種を取り込む

OOH

一重項酸素のエネルギーをポリエンが吸収して安定な三重項酸素に変換HO

アスタキサンチンO

ポリエンによる酸素の吸収

O

O
HO

HO
O

O

O
HO

O

O
HO

O
HO

O

O

アポアスタキサンチン

OOH

アスタキサンチン

HO
O
-.

O2

OH

酸素を分子内に取り込む

1

O2

O.

O

OH
OH

O

O
O

HO

HO

O
O

O

O

OH

OH
O

HO
O

アスタキサンチンエポキシド

HOO

O

O

アスタキサンチンエンドぺルオキシド

図６ カロテノイドによる活性酸素、活性窒素種の化学的消去メカニズム
4.5 40 年の時を経て解明されたトンボ類のカロテノイドの起源
先にも書きましたが「アキアカネになぜ菌類にしか存在しないβ,γ-カロテンが存在すのか」は私のカロテノイド研究の原点であり是非解明したい問題でした。トンボは幼虫期にはヤゴとして水中に棲息しています。アキアカネのヤゴのカロテノイドを分析したところβ,γ-カロテンは見つからず、主に餌とする水生動物に由来するカロテノイドが見つかりました。また孵化直後の成虫にもこのβ,γ-カロテンは存在しません。この事からするとβ,γ-カロテンはトンボの成虫が食する餌に由来するかトンボの消化管の共生微生物に由来するも9のと考えられました。アキアカネの消化管の微生物を検討しましたがβ,γ-カロテンを産生する微生物みつかりません。ある年の春4月末に今年初めて孵化したシオヤトンボが有翅アブラムシの発生した草むらを飛び回るのを目撃しました。早速アブラムシのカロテノイドを分析するとなんとβ,γ-カロテンがカロテノイドの主成分で検出されました。トンボ類のβ,γ-カロテンはアブラムシに由来していたのです。アブラムシは宿主となる植物の髄液を吸収して生活しています。アブラムシの吸う植物の髄液にはカロテノイドは含まれていません、また宿主の植物にはβ,γ-カロテンは存在しません。ごく最近アブラムシ類は共生する菌類から水平移動した遺伝子によりカロテノイドやキノン系色素を自ら作り出すという報告がなされました。そこでアブラムシを採捕してカロテノイドの生合成遺伝子を検討することにしました。この部分は長年の共同研究者である石川県立大学の三沢教授が担当しました。アブラムシからカロテノイド生合成遺伝子を取り出し大腸菌の遺伝子に組み込んだところβ,γ-カロテンが生成されることがわかりました(図７)。またその遺伝子の塩基配列からこの遺伝子は菌類に由来することがわかりました。この研究には地元甲賀市の昆虫専門の学芸員、昆虫の化学生態学が専門の京都大学名誉教授、そしてカロテノイド生合成遺伝子研究の専門の石川県立大学のグループが加わって頂きました。
異なる分野の人たちとの共同研究の醍醐味を味会う事ができました。

図６ トンボに含まれるβ,γ-カロテンの起源

105. 終わりに
カロテノイドは現在生活習慣病予防効果などで健康雑誌やテレビでも注目されています。これらの研究は今まで述べてきたように生物がなぜカロテノイドを必要としているか、その生物に色がついているのはなぜ、その色素成分はなに等の疑問についての基礎研究が端緒になりました。その後、カロテノイドと人の健康に関する研究が進んで今日の様にカロテノイド研究が盛況を呈するようになりました。私が出た薬科大学は6年制になり薬剤師養成の教育に力がおかれ研究も創薬や医療に関するものにシフトしています。おそらく大学に残っていたらここに述べたような天然カロテノイドの存在意義を解明する基礎的な研究はできなかったでしょう。また企業を含む多くの機関との共同研究もできなかったでしょう。その点独立性の高い財団法人の研究所で研究できたことは幸いでした。私は６５歳になった今でも自ら手を動かして実験しています。同級
生の多くが研究の一線から退き大学や企業などで経営、管理運営、教育的な仕事に携わっている中で未だ現役で天然物化学の仕事が出来ることを幸せに思っています。今でも自分自身でカロテノイドを分離精製してNMR、MSを測定しています。そのスペクトルを見る時は心がときめきます。これからも力の続く限り自ら実験をしてカロテノイドの基礎研究、そしてそれを実用化に結び付ける仕事をしていきたいと思います。

43年前卒論実験に取り組む私

自ら調整したサンプルのNMRを測定2018年

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