メガスフェア・エルスデニイ、腸内細菌叢の共生メンバー、in vitro発酵中のガス生成の増加と関連

医学 消化器系 生命科学 微生物学
ガス生成 腸内細菌叢 短鎖脂肪酸 インゲン豆 サツマイモ

腸内ガス（flatulence）は日常生活でよく見られる現象で、通常は腸内微生物叢（gut microbiota）が未消化の食物成分を発酵させることによって発生します。腸内ガスはほとんどの場合無害ですが、不快感や膨満感を引き起こすことがあり、過敏性腸症候群（irritable bowel syndrome, IBS）などの慢性疾患と関連する可能性もあります。特に、豆類やサツマイモなど食物繊維が豊富な食品は、ガスの発生と密接に関連していると考えられています。しかし、腸内微生物叢がガス発生において果たす具体的なメカニズムはまだ完全には解明されていません。

近年の研究では、腸内微生物叢中の特定の主要な種がガス発生に重要な役割を果たす可能性が示されています。Megasphaera elsdenii は、一般的な腸内共生細菌であり、反芻動物において乳酸を代謝して短鎖脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）を生成することが知られていますが、人間の腸内での役割はまだ十分に研究されていません。特に、M. elsdenii が腸内ガスの発生に関与しているかどうか、および異なる食品の発酵プロセスにおけるそのメカニズムは、未解決の謎のままです。したがって、本研究は、M. elsdenii が腸内ガスの発生にどのように関与しているかを探ることを目的とし、特に豆類やサツマイモの発酵プロセスにおける影響を調査しました。

論文の出典

本論文は、米国ネブラスカ大学リンカーン校（University of Nebraska–Lincoln）の Devin J. Rose 教授とそのチームによって執筆され、他の著者には Erasme Mutuyemungu、Hollman A. Motta-Romero、Qinnan Yang などが含まれます。研究は、米国農務省農業研究局（USDA Agricultural Research Service）の支援を受けています。論文は 2023 年 12 月 15 日に受理され、2024 年に『Gut Microbiome』誌に掲載されました。DOI は 10.1017/gmb.2023.18 です。

研究の流れ

1. 糞便サンプルの選択

研究チームはまず、30 名の健康なドナーから糞便サンプルを収集し、M. elsdenii が検出可能なサンプル（ME_D）と検出されないサンプル（ME_ND）を選別しました。最終的に、3 つの ME_D サンプルと 7 つの ME_ND サンプルが実験対象として選ばれました。すべてのドナーは、胃腸疾患の既往がなく、過去 6 ヶ月間に抗生物質やプロバイオティクスを使用していませんでした。

2. 基質の準備

研究では、ガス発生と関連する 2 種類の食品——赤インゲン豆（kidney beans）とサツマイモ（sweet potatoes）——を発酵基質として選択しました。これらの食品は、体外消化と透析処理を経て、凍結乾燥され、後の実験に備えて保存されました。

3. 体外発酵実験

凍結乾燥した赤インゲン豆とサツマイモは、それぞれ糞便微生物叢と共に体外発酵実験を行いました。発酵は嫌気条件下で行われ、0 時間、24 時間、48 時間の各時点でガス生成量を測定しました。実験では、腸内環境を模倣した発酵培地を使用し、微生物叢が適切に発酵するようにしました。

4. ガス生成量の測定

ガス生成量は、発酵チューブに針を挿入し、ガラスシリンジに接続して測定しました。研究では、24 時間と 48 時間のガス体積を記録し、異なるサンプル間の差異を分析しました。

5. 短鎖脂肪酸（SCFA）の分析

発酵後のサンプルは遠心分離され、上清を抽出して SCFA 分析を行いました。研究では、ガスクロマトグラフィー（gas chromatography）を使用して、酢酸（acetate）、プロピオン酸（propionate）、酪酸（butyrate）の濃度を測定しました。

6. 微生物叢の組成分析

研究チームは、発酵後の細菌沈殿物から DNA を抽出し、16S rRNA 遺伝子シーケンシングを通じて微生物叢の組成を分析しました。QIIME 2 ソフトウェアを使用してシーケンスデータを処理し、DADA2 アルゴリズムを用いてノイズ除去と分類を行いました。

7. M. elsdenii 分離株の実験

M. elsdenii がガス生成に果たす役割を検証するため、研究チームは 2 種類の M. elsdenii 分離株を使用しました：1 つはヒトの糞便から分離された M. elsdenii 2FL 0620 M7、もう 1 つは反芻動物から分離された M. elsdenii B159 です。これらの分離株は、サツマイモと酢酸を基質として発酵実験を行い、ガス生成量を測定しました。

主な結果

1. ガス生成量の差異

研究結果によると、M. elsdenii を含む微生物叢（ME_D）は、サツマイモの発酵において、M. elsdenii を含まない微生物叢（ME_ND）よりも有意に多くのガスを生成しました。特に、48 時間の発酵プロセスでは、ME_D 微生物叢はサツマイモの発酵で赤インゲン豆よりも多くのガスを生成しました。一方、ME_ND 微生物叢は赤インゲン豆の発酵でより多くのガスを生成しました。

2. M. elsdenii の存在量の変化

発酵プロセス中、M. elsdenii の相対存在量は ME_D 微生物叢で大幅に増加し、一部のサンプルでは 60% に達しました。一方、ME_ND 微生物叢では、M. elsdenii の存在量は低いものの、発酵後に検出可能でした。

3. 短鎖脂肪酸（SCFA）の生成

ME_D 微生物叢は、発酵プロセス中により多くの酢酸を消費し、より多くの酪酸を生成しました。特に、サツマイモの発酵では酪酸の生成量が大幅に増加しました。これは、M. elsdenii が酢酸を利用して交叉栄養（cross-feeding）を行い、酪酸とガスを生成している可能性を示唆しています。

4. M. elsdenii 分離株のガス生成

ヒトの糞便から分離された M. elsdenii 2FL 0620 M7 は、サツマイモと酢酸の両方の基質で大量のガスを生成し、酢酸とサツマイモを組み合わせた基質では最も多くのガスを生成しました。一方、反芻動物から分離された M. elsdenii B159 は、サツマイモの基質で最も多くのガスを生成しましたが、酢酸の基質ではガス生成量が低くなりました。

結論と意義

本研究は、M. elsdenii が腸内ガスの発生に果たす役割を初めて体系的に調査し、特に豆類やサツマイモの発酵プロセスにおける影響を明らかにしました。研究結果は、M. elsdenii が腸内微生物叢の重要なメンバーであり、特にサツマイモの発酵においてガス生成を大幅に増加させることを示しています。さらに、M. elsdenii は酢酸を利用して交叉栄養を行い、酪酸の生成を促進し、ガス生成をさらに増加させることがわかりました。

この研究の科学的価値は、M. elsdenii が腸内ガスの発生において重要な役割を果たすことを明らかにし、腸内微生物叢と食物発酵の関係を理解するための新たな視点を提供した点にあります。また、研究結果は、腸内ガスに関連する不快感を軽減するための介入策を開発するための潜在的なターゲットを提供しています。例えば、腸内微生物叢の組成を調整することでガス生成を減らすことが可能かもしれません。

研究のハイライト

  1. 主要な発見：M. elsdenii は腸内ガス生成の重要な要因であり、特にサツマイモの発酵プロセスにおいて顕著です。
  2. 新規性：初めて M. elsdenii が異なる食品の発酵プロセスにおいて果たす役割を体系的に調査し、酢酸を利用した交叉栄養によるガス生成の仮説を検証しました。
  3. 応用価値：研究結果は、腸内ガスに関連する不快感を軽減するための介入策を開発するための科学的根拠を提供しています。例えば、腸内微生物叢を調整することでガス生成を減らすことが可能かもしれません。

その他の価値ある情報

研究ではまた、M. elsdenii の存在量が発酵プロセス中に大幅に増加することが明らかになりました。これは、M. elsdenii が腸内環境に適応しやすいことを示唆しています。さらに、ヒトの糞便から分離された M. elsdenii 分離株と反芻動物から分離された分離株では、ガス生成能力に顕著な違いがあり、宿主の種類がその代謝特性に影響を与える可能性が示唆されています。

この研究は、腸内微生物叢と食物発酵の関係を理解するための新たな洞察を提供し、今後の研究と応用の基盤を築きました。