ポリヒドロキシ酪酸
ポリヒドロキシ酪酸（Polyhydroxybutyrate; PHB）は、ポリヒドロキシアルカン酸（PHA）の一種で、3-ヒドロキシ酪酸を構成単位とする高分子（ポリエステル）です。その性質から古くから生分解性プラスチックとして注目されてきましたが、近年の研究で生物への多様な生理作用が明らかになり、食品やペットフードといった新たな応用への期待が高まっています。
多くの細菌や古細菌は、栄養が豊富で炭素源が過剰な環境下で、エネルギー貯蔵物質として細胞内にPHBを蓄積します。これは細胞質の顆粒状封入体として観察され、中には細胞容積の大部分をPHBが占める微生物も存在します。特に海洋微生物の中にもPHBを生産する種が見られます。これらの微生物からPHBは比較的容易に抽出できるため、生分解性プラスチック、再生医療における細胞足場材料（マトリックス）、そして近年では食品やペットフードなど、幅広い分野での実用化に向けた研究開発が進められています。
PHBは単なる材料としてだけでなく、様々な生物に対して生理的な効果をもたらすことが報告されています。
節足動物での研究が初期に報告されました。特定の種類のエビ（Artemia franciscana）では、熱ショックタンパク質（HSP70）の誘導を介して病原菌（Vibrio campbellii）に対する耐性を高める効果が示されています。また、バナメイエビ（Litopenaeus vannamei）では、細胞成長を制御するmTOR経路を活性化し、腸内細菌叢の多様性を促進することで短鎖脂肪酸の産生を高め、成長を促進する作用が見られました。さらにウシエビ（Penaeus monodon）においても、成長促進に加え、免疫機能の活性化による生存率向上が確認されています。
魚類においても生理作用が報告されており、ヨーロッパシーバスでは腸内細菌叢のバランスを改善することで成長を促進し、ナイルティラピアでは感染症への抵抗性を高めることが示唆されています。
哺乳類での研究も進んでおり、マウスを用いた研究では、PHBの摂取が体内のケトン体濃度を生理的な範囲で上昇させる「生理的ケトーシス」を誘導し、乳がんの抑制や肥満の改善に寄与する可能性が報告されています。畜産分野では、ブタでの試験で下痢や軟便の有意な抑制効果が確認されており、ラットの潰瘍性大腸炎モデルでは血便や大腸下部の炎症（びらん・出血）が有意に軽減される結果が得られています。
PHBが消化管内で腸内細菌の持つ酵素によって加水分解されると、ケトン体が生成されます。この過程で腸内細菌叢は酪酸菌が優位な状態へと変化し、これは「ケトバイオティクス」とも呼ばれます。酪酸菌などの有用菌が増えることで、酢酸、プロピオン酸、乳酸、酪酸といった短鎖脂肪酸が豊富に産生され、腸内環境が弱酸性に保たれます。この弱酸性の環境は、大腸菌などのいわゆる悪玉菌の増殖を抑える働きをします。さらに、酪酸菌は免疫応答においても重要な役割を果たし、大腸のパイエル板においてマクロファージや自己免疫を抑制する働きを持つ調節性T細胞（Treg）の活性化を促すことが知られています。
PHBはケトン体のポリエステルであるという特性を活かし、生理的ケトーシスを誘導するための「ケトン供与体」として捉えられています。これは消化管内でケトン体を放出し、体内のケトン体濃度を高める物質の総称で、PHBは一つの分子から多数のケトン体を供給できる（N>1000）点でユニークです。ケトン体が持つとされる抗肥満作用や抗がん作用といった健康効果をヒトや哺乳類に安全に取り入れるツールとして、PHBは健康食品やペットフードへの応用が期待されています。海外では既にエビや魚の養殖用飼料としての製品開発が進められています。
PHBは、1925年にフランスの細菌学者モーリス・レモインによって発見され、その性質が詳細に調べられました。微生物によるPHBの生合成は、アセチルCoAを前駆体として複数の酵素反応を経て進みます。PHBは、利用可能な炭素源が他にない場合に代謝され、エネルギーとして利用されます。
PHBの物理化学的性質としては、水に溶けにくく、ある程度の加水分解に対して耐性がある点が挙げられます。これは多くの水溶性で湿気に弱い他の生分解性プラスチックとは異なる利点です。また、酸素透過性が良好で紫外線に対する耐性が高い一方、酸性やアルカリ性の環境には弱い性質を持ちます。クロロホルムや塩素化炭化水素には溶解します。生体適合性があり、毒性がないため、医療分野での利用にも適しています。融点は約175℃、ガラス転移温度は約15℃で、引張強度は約40 Mpaとポリプロピレンに近い強度を持ちます。しかし、ポリプロピレンと異なり水に沈むため、水底などの堆積物中では嫌気性分解が進みやすい特性があります。
産業利用の歴史においては、1980年代にイギリスのICIがパイロットプラントまで開発を進めたものの、製造コストが高く、ポリプロピレンに匹敵する物性を実現するのが難しかったことから商業化には至りませんでした。その後、モンサントが権利を取得し「Biopol」という商標でコポリマーなどを販売しましたが、事業は継続せず、最終的に2001年にMetabolix（現 Yield10 Bioscience）に権利が売却され、細菌からの生産施設も閉鎖されました。現在の研究開発は、細菌による発酵生産だけでなく、より低コストな植物での生産を目指す方向へとシフトしています。PHB以外にも、ポリヒドロキシ吉草酸（PHV）やポリヒドロキシカプロン酸（PHH）など、様々な種類のPHAやそのコポリマーが微生物によって生産されることが知られています。
微生物による生産と利用
多くの細菌や古細菌は、栄養が豊富で炭素源が過剰な環境下で、エネルギー貯蔵物質として細胞内にPHBを蓄積します。これは細胞質の顆粒状封入体として観察され、中には細胞容積の大部分をPHBが占める微生物も存在します。特に海洋微生物の中にもPHBを生産する種が見られます。これらの微生物からPHBは比較的容易に抽出できるため、生分解性プラスチック、再生医療における細胞足場材料（マトリックス）、そして近年では食品やペットフードなど、幅広い分野での実用化に向けた研究開発が進められています。
生体への多様な生理作用
PHBは単なる材料としてだけでなく、様々な生物に対して生理的な効果をもたらすことが報告されています。
節足動物（エビなど）での効果
節足動物での研究が初期に報告されました。特定の種類のエビ（Artemia franciscana）では、熱ショックタンパク質（HSP70）の誘導を介して病原菌（Vibrio campbellii）に対する耐性を高める効果が示されています。また、バナメイエビ（Litopenaeus vannamei）では、細胞成長を制御するmTOR経路を活性化し、腸内細菌叢の多様性を促進することで短鎖脂肪酸の産生を高め、成長を促進する作用が見られました。さらにウシエビ（Penaeus monodon）においても、成長促進に加え、免疫機能の活性化による生存率向上が確認されています。
脊椎動物（魚類・哺乳類）での効果
魚類においても生理作用が報告されており、ヨーロッパシーバスでは腸内細菌叢のバランスを改善することで成長を促進し、ナイルティラピアでは感染症への抵抗性を高めることが示唆されています。
哺乳類での研究も進んでおり、マウスを用いた研究では、PHBの摂取が体内のケトン体濃度を生理的な範囲で上昇させる「生理的ケトーシス」を誘導し、乳がんの抑制や肥満の改善に寄与する可能性が報告されています。畜産分野では、ブタでの試験で下痢や軟便の有意な抑制効果が確認されており、ラットの潰瘍性大腸炎モデルでは血便や大腸下部の炎症（びらん・出血）が有意に軽減される結果が得られています。
腸内細菌叢への影響
PHBが消化管内で腸内細菌の持つ酵素によって加水分解されると、ケトン体が生成されます。この過程で腸内細菌叢は酪酸菌が優位な状態へと変化し、これは「ケトバイオティクス」とも呼ばれます。酪酸菌などの有用菌が増えることで、酢酸、プロピオン酸、乳酸、酪酸といった短鎖脂肪酸が豊富に産生され、腸内環境が弱酸性に保たれます。この弱酸性の環境は、大腸菌などのいわゆる悪玉菌の増殖を抑える働きをします。さらに、酪酸菌は免疫応答においても重要な役割を果たし、大腸のパイエル板においてマクロファージや自己免疫を抑制する働きを持つ調節性T細胞（Treg）の活性化を促すことが知られています。
食品・ペットフードへの応用可能性
PHBはケトン体のポリエステルであるという特性を活かし、生理的ケトーシスを誘導するための「ケトン供与体」として捉えられています。これは消化管内でケトン体を放出し、体内のケトン体濃度を高める物質の総称で、PHBは一つの分子から多数のケトン体を供給できる（N>1000）点でユニークです。ケトン体が持つとされる抗肥満作用や抗がん作用といった健康効果をヒトや哺乳類に安全に取り入れるツールとして、PHBは健康食品やペットフードへの応用が期待されています。海外では既にエビや魚の養殖用飼料としての製品開発が進められています。
PHBの発見、性質、そして産業利用の歴史
PHBは、1925年にフランスの細菌学者モーリス・レモインによって発見され、その性質が詳細に調べられました。微生物によるPHBの生合成は、アセチルCoAを前駆体として複数の酵素反応を経て進みます。PHBは、利用可能な炭素源が他にない場合に代謝され、エネルギーとして利用されます。
PHBの物理化学的性質としては、水に溶けにくく、ある程度の加水分解に対して耐性がある点が挙げられます。これは多くの水溶性で湿気に弱い他の生分解性プラスチックとは異なる利点です。また、酸素透過性が良好で紫外線に対する耐性が高い一方、酸性やアルカリ性の環境には弱い性質を持ちます。クロロホルムや塩素化炭化水素には溶解します。生体適合性があり、毒性がないため、医療分野での利用にも適しています。融点は約175℃、ガラス転移温度は約15℃で、引張強度は約40 Mpaとポリプロピレンに近い強度を持ちます。しかし、ポリプロピレンと異なり水に沈むため、水底などの堆積物中では嫌気性分解が進みやすい特性があります。
産業利用の歴史においては、1980年代にイギリスのICIがパイロットプラントまで開発を進めたものの、製造コストが高く、ポリプロピレンに匹敵する物性を実現するのが難しかったことから商業化には至りませんでした。その後、モンサントが権利を取得し「Biopol」という商標でコポリマーなどを販売しましたが、事業は継続せず、最終的に2001年にMetabolix（現 Yield10 Bioscience）に権利が売却され、細菌からの生産施設も閉鎖されました。現在の研究開発は、細菌による発酵生産だけでなく、より低コストな植物での生産を目指す方向へとシフトしています。PHB以外にも、ポリヒドロキシ吉草酸（PHV）やポリヒドロキシカプロン酸（PHH）など、様々な種類のPHAやそのコポリマーが微生物によって生産されることが知られています。
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