英国の著名な遺伝学者、生理学者、科学の普及者であるジョン B. S. ホルデン（1892-1964）は、集団遺伝学と進化の研究に新しい道を切り拓いた人物です。 夜空に広がる天の川の大きさや、40万種の甲虫がいるのに哺乳類は8000種しかいないことを強調し、「創造主の性質を被造物の研究から結論づけるとすれば、神は星と甲虫を特に好んでいるようだ」と言ったとされる。 同じような考えで、近年発行されたアメリカ微生物学会の雑誌などを熟読すると、微生物学者が乳酸菌を特別に好きであるという結論に達するかもしれない。 2003年のApplied and Environmental Microbiology誌だけでも、乳酸菌に関する出版物（論文のタイトルや要旨に「ラクトバチルス」または「ラクトバチリ」と記載されているもの）が52件掲載されているのである。
乳酸菌は、炭水化物代謝の単独または主要な最終産物として乳酸を形成することを特徴とする広義のグループである乳酸菌のメンバーである。 乳酸菌はグラム陽性で無芽胞の桿菌または球菌であり、G+C含量は通常50 mol%以下である(22)。 現在、80種の乳酸菌が確認されている(55)。 発酵性、好気性・嫌気性、好酸性・好酸性、複雑な栄養要求性（糖質、アミノ酸、ペプチド、脂肪酸エステル、塩、核酸誘導体、ビタミン類）を持っている。 グルコースを炭素源とする乳酸菌は、ホモ発酵性（発酵産物の85％以上を乳酸として生産）、またはヘテロ発酵性（乳酸、二酸化炭素、エタノール、酢酸を等モル量で生産）のいずれかであることが知られている。 乳酸菌の栄養要求性は、炭水化物を含む基質が豊富な生息環境に反映される。植物や植物由来の物質、発酵食品や腐敗食品、動物の体内などに生息している(22)。
乳酸菌は、乳酸発酵を必要とする食品、特に乳製品（ヨーグルトやチーズ）、発酵野菜（オリーブ、ピクルス、ザワークラウト）、発酵肉（サラミ）、サワードウパンの製造に重要である。 食品産業における乳酸菌の利用は長い歴史があり、産業環境における乳酸菌の機能はよく研究されている(28)。
Elie Metchnikoff（1845-1916）は、食作用に関する先駆的な記述でノーベル賞を受賞したが、加齢現象に関心をもっていた。 このテーマに関する現代の研究は、変異していないDNA配列の維持に集中しているが、メチニコフは、内部からの中毒の原因として腸内細菌叢に注目した（40, 41）。 メチニコフによれば、ヒトの大腸に存在する細菌群は、宿主の神経系や血管系に有毒な物質の供給源であったという。 腸から吸収されたこれらの毒性物質が血流に乗って循環することで、老化が進行するのだという。 そこで、腸内細菌が「自家中毒」の原因物質であると特定された。 腸内細菌はタンパク質を分解し（腐敗）、アンモニア、アミン、インドールなどを放出し、これらは適切な濃度で人体組織に毒性を示す。 メチニコフは、低濃度の有毒な細菌産物が肝臓での解毒を逃れて全身循環に入り込む可能性があると推論したのである。 メチニコフは、自家中毒を防ぐために、大腸を外科的に切除するという過激な解決策をとった。 しかし、それほど怖くはなく、より一般的な治療法は、炭水化物を発酵させ、タンパク質分解活性をほとんど持たない細菌集団で腸内細菌叢を豊かにすることによって、腸内の腐敗菌の数を交換または減少させることを試みることであった。 発酵菌の培養物を経口投与することで、「有益な」細菌を腸管に「移植」することが提案された。 乳酸菌は、牛乳を自然発酵させることで、タンパク質分解菌などの耐酸性でない菌の増殖を防ぐことが確認されていたため、この目的のために使用する発酵菌として好まれた。 乳酸発酵が牛乳の腐敗を防ぐのであれば、適切な菌を使えば消化管でも同じ効果が得られるのではないか？ 東欧の人々、その中には明らかに長寿の人もいて、日々の食事の一部として発酵乳製品を摂取していた(40, 41)。 これが効能の証明とされ、メチニコフの「ブルガリア菌」で発酵させた牛乳が、その後西欧で流行したのが、プロバイオティクスの誕生である。 プロバイオティクスという言葉は、Lilley and Stillwell (34) によって、ある種の微生物が分泌し、別の種の微生物の増殖を促進する物質（抗生物質と対比されるプロバイオティクス）というまったく別の文脈で初めて作られた。その後、「腸内微生物のバランスに貢献する生物および物質」を表す言葉として用いられるようになった(44)。 Fuller の定義（13）、「腸内バランスを改善することで宿主動物に有益な影響を与える生きた微生物飼料」は、広く使用されている。 「また、”Probiotics contain microbial cells that transit the gastrointestinal tract and which, in doing, benefit of the health of the consumer” (63) という表現も提案されている（20）。 また、以下もそうである。 “定義された、宿主に有益な生理学的効果を与える適切な量で投与される生きた微生物”（49）、”適切な量で投与されると宿主に健康上の利益を与える生きた微生物”（52）、および “宿主の健康と幸福に有益な効果を与える微生物細胞の調製物または成分”（51）。
プロバイオティクス製品は、その多くが乳酸菌を含んでおり、乳製品、食品、および「セルフケア健康」産業によって積極的に宣伝され、食品科学者や一般大衆によって無批判に受け入れられてきた。 しかし、プロバイオティクスの効能は、米国食品医薬品局（FDA）が医薬品に要求するような厳密で公平な評価によるものではありません（60）。 言い換えれば、これらの主張は、通常の4段階の有効性評価を受けていない（47）。
食品中の細菌細胞の摂取により、腸内細菌叢に存在する特定の集団の割合が変化するというメチニコフの見解は、自然界で最も強力な力の1つ、恒常性を見落としている。 簡単に言えば、ホメオスタシスとは、自然界において、すべてが変化しても、すべてが変わらない力のことである(2)。 細菌群集のホメオスタシスは、生物自身が生み出す定常状態によって表現される。 栄養分と空間をめぐる競争、ある集団が別の集団の代謝産物によって阻害されること、捕食や寄生などのすべてが、ある集団と他の集団が特定の割合で調整されることに寄与しているのである。 制御された細菌群では、すべての生態的ニッチが満たされているため、偶然または意図的に生態系に持ち込まれたアロフトン性（別の場所で形成された）微生物が定着することは極めて困難である。 この現象は、「競争的排除」と呼ばれている(2)。 この現象は「競争的排除」(2)と呼ばれている。新しく持ち込まれた細菌は、その生態系で生計を立てる術を持たず、すべての可能なニッチが埋まってしまっているためである。 糞便サンプルの検査でわかるように、ヒトの腸内細菌叢の構成は驚くほど安定している(58, 69)。 この細菌群の遺伝的フィンガープリント（変性剤濃度勾配ゲル電気泳動プロファイル）は、18ヶ月の長期研究中に収集したサンプルでも一定であった（63）。 研究対象となった多くのヒトについて、この安定性は属や種を超えて、細菌株のレベルにまで及んでいた（30, 37）。 競合排除は、腸内へのプロバイオティクス細菌の導入に関連している。 これらの細菌細胞は、腸の細菌群集に対して同種であり、いくつかの研究で示されたように、腸の生態系において一時的にしか存在しない（1, 11, 54, 57, 63）。 ある研究を例に挙げると、Lactobacillus rhamnosus DR20をヒト被験者に毎日牛乳で6ヶ月間投与した(63)。 プロバイオティクス菌株は、プロバイオティクス製品が消費され続けている間のみ検出された。 プロバイオティクス製品の摂取が停止すると、糞便中のバクテリアの排泄も停止した。 さらに、プロバイオティクス菌株のレベルは比較的低く（糞1グラム当たり105～106個）、腸内に既存の安定した乳酸菌集団を持つ被験者の約40％から採取したサンプルからは、不定期にしか検出されなかった。 残りの被験者は安定した乳酸菌集団を持っておらず、プロバイオティクス株は、プロバイオティクス摂取期間中、すべての糞便サンプルで検出することができましたが、これはプロバイオティクス細胞が常在乳酸菌の細胞より数が少なかったためです。 彼らは多くの食品の微生物叢の一部であり、これらの食品由来の乳酸菌種は、ヒトの糞便中に一過性かつ予測不可能に検出されることがある（7、66）。 一方、上述のように、ヒト被験者の一部は、自己由来の（発見された場所で形成された）乳酸菌を保有している(63)。 腸内生態系との関連でDubosらによって初めて提唱されたこの概念は、その後Dwayne Savageによって次のように定義された。「自己組織化微生物は、生後早期に腸管の特定の領域に定着し、定着後すぐに高い集団レベルまで増殖し、栄養状態のよい健康な動物の一生を通じてそのレベルにとどまる土着微生物と特徴づけられる」（同）。 常在微生物は、地理的な場所に関係なく、与えられた動物種の基本的にすべての個体に見られるべきである」(56)
最近の乳酸菌生態学の研究でなされた観察についてさらに考察した結果、以下の簡潔な定義を提案することができるだろう。 “自生種は、特定の宿主種と長期的に関連し、腸内の特定の領域に特徴的な大きさの安定した集団を形成し、実証可能な生態学的機能を有する”。 この定義は作業仮説と考えられ、さらなる議論の基礎となる。
自家発生乳酸菌種は、商業的条件下で飼育されたブロイラー鶏の場合、明確に識別できる（19、31）。 乳酸菌は孵化後すぐに鳥の作物に定着し、鶏の飼料に抗菌剤が一般的に投与されているにもかかわらず、宿主の生涯を通じて存続する（特定の宿主種との長期的な関連性）。 少なくとも一部の乳酸菌は作物の上皮に付着し、増殖してバイオフィルムを形成する。 このように持続する乳酸菌の代謝活動は、消化物のpHに影響を与え、その結果、腸内細菌の増殖を抑制する（生態系機能の実証）(14)。 この部位から流出した乳酸菌細胞は消化液の接種源となり、消化液は腸の残りの部分全体に乳酸菌が豊富に存在する（特徴的な大きさの安定した集団）(14, 31)。 例えば、回腸内容物の微生物叢の大部分は乳酸菌で構成されている(35)。 さらに、ニワトリの腸の全乳酸菌集団の中で、種の継承が検出される。 Lactobacillus acidophilusグループのメンバーやLactobacillus reuteriは初期のコロニー形成者であるが、Lactobacillus salivariusは一貫して高齢の鳥にのみ検出される（19, 31）。 なぜなら、L. salivarius が鳥類の腸内に定着し、持続するためには、他の乳酸菌によって、あるいは鶏の生理学や食餌組成の変化によって、事前に生息環境が調整される必要があるように思われるからである。 作物と回腸で同様のLactobacillusの継承が起こることから、作物のコロニー化がLactobacillus集団に関して回腸消化管の微生物叢の構成を決定することが示唆された
L. reuteriは、いくつかの研究でそこに検出されているという事実によって証明されるように、げっ歯類の腸に常在する；森林胃の非分泌性上皮に付着し、したがってバイオフィルムを形成する；一度だけ純粋培養物を口から接種したラクトバシラスフリーマウスの腸で生涯を通じて一定の集団レベルで存続し、小腸生化学に影響する（23、38、42、64、67）。 したがって、L. reuteriとマウスの腸内生態系は、自己免疫力の分子基盤を研究するための優れたパラダイムを提供する。 過去10年間、複雑な生態系における生態学的パフォーマンスを高める形質を研究するためのin vitroモデルの限界を克服するために、プロモータ-トラッピング技術が開発されてきた。 例えば、in vivo expression technology (IVET) は、Salmonella enterica serovar Typhimurium がマウスに感染した際の遺伝子発現を研究するために Mahan らによって開発された (36) 。 IVETはまた、他の多くの病原体のin vivo誘導（ivi）遺伝子を同定するために用いられ、これらのivi遺伝子のサブセット内の変異は病原性の低下をもたらした（46）。 IVETは最近、マウス腸内で特異的に誘導されるL. reuteri strain 100-23の遺伝子を同定した(65)。 リンコマイシン耐性を付与する′ermGTを第一のレポーター遺伝子として含むプラスミドベースのシステムを構築し、リンコマイシンで処理したマウスの腸内で活性なプロモーターを選択した。 第二のレポーター遺伝子である′bglM（βグルカナーゼをコードする）は、構成的プロモーターとin vivo-誘導性プロモーターの区別を可能にした。 L. reuteriと旧ラクトバチルスフリーマウスを用いてIVETシステムを適用したところ、コロニー形成時に特異的に誘導される3つの遺伝子を見出した。 キシロースイソメラーゼ（xylA）およびメチオニンスルホキシドレダクターゼ（msrB）に相同性を示す配列が検出された。 また、3番目の遺伝子座は機能不明なタンパク質と相同性を示した。 キシロースは、わらやふすまに多く含まれる植物由来の糖で、食物を介して腸内に導入される。 腸内のキシロースは、他の腸内細菌叢のメンバーによるキシランやペクチンの加水分解から得られる可能性がある。 キシロースイソメラーゼが選択的に発現していることから、L. reuteri 100-23は、キシロースまたはイソプリメロース（キシログルカンの主成分）の発酵によって、少なくとも部分的に腸内のエネルギー要求を満たしていることが示唆された(4)。 メチオニンスルホキシド還元酵素は、反応性窒素や酸素の中間体による酸化的なダメージから細菌を守る修復酵素である。 一酸化窒素は回腸と結腸の上皮細胞で産生され、おそらく酸化的バリアとして働き、腸の恒常性を維持し、細菌の移動を減らし、病原体に対する防御手段を提供している（25, 50）。 この先駆的なIVET研究は、オートクチュニティの分子的基盤の調査における技術の有用性を示し、L. reuteriが腸内で持続するために必須であると考えられる細菌の特性を明らかにした(65)。 実際、L. reuteri 100-23とマウス腸管に定着しない同種の菌株のゲノム比較を実施するための強力な根拠ができたと言える。 100-23株は、明らかにバイオフィルムを形成し、マウスの森林胃上皮に定着する性質を持っている。 さらに、この株は遺伝子操作が可能であり、試験管内（電気泳動による）あるいは腸管生態系への水平遺伝子導入により導入された異種遺伝子を発現する（24, 38）。 L. reuteri株をマウスの腸内で関連する生態学的現象と関連させてゲノム比較することで、自家中毒の分子的基盤が明らかになるかもしれない。
一部の微生物学者の間では、乳酸菌を遺伝子操作してその細胞がバイオテクノロジー的、そしておそらく治療的価値のある物質を生産することが期待されている。 これらの組換え細菌を工業的な発酵槽で使用するのではなく、腸内の細菌細胞を、腸の特定部位に生理活性物質を送り込む原位置工場として使用することが目指されてきた（39）。 この研究は、アロフトン性乳酸菌の使用によって損なわれ、全体的な目標達成にほとんど進展がなかった。 異なる動物宿主に関連する自家種が認識されれば、少なくとも腸内で代謝し、おそらくは持続する可能性のある組換え乳酸菌が生産される可能性が高くなる。 ヒトCD4の最初の2つのドメインを合成・分泌する組み換え膣乳酸菌を開発し、in vitroでヒト免疫不全ウイルスによる標的細胞の感染を競合的に阻止することを示したLeeらの研究は、この種の研究に対する合理的アプローチの良い例である(5)。 これらの実験では自生する乳酸菌種が用いられたが、組換え菌が膣に注入された後も持続する能力を持つかどうかはまだ推測の域を出ない。
乳酸菌とその宿主との相互作用と宿主の特性への影響は、微生物学者を魅了し続けている（59）。 哺乳類の宿主に対する細菌の影響を知る手がかりは、無菌マウスと従来のマウスの生化学的・生理的特性の比較から得られてきたが、動物のゲノム配列決定とそれに伴う全ゲノム代表配列を持つDNAマイクロアレイの製造の出現により、この種の比較研究が高度なレベルで行えるようになった。 この方法によって、微生物叢が宿主に与える影響のメカニズムに関する興味深い知見が得られる可能性は、かつて無菌マウスにBacteroides thetaiotaomicronがコロニー形成した際の影響を研究したHooperらの先駆的研究によって実証されている(26)。 しかし、元無菌マウスを用いた単離実験は、自然界の生態系で起こることを代表するものではありません。 無脊椎動物の腸に定着した単一の細菌株は、通常、他の微生物叢のメンバーとの激しい競争にさらされる通常の動物よりもはるかに高い集団レベルに到達する。 無菌動物と通常動物の生理的な違いも、コロニー形成パターンに影響を与える可能性がある。 小腸の運動による洗浄効果で、従来型動物では細菌はより静的な回腸末端部や大腸に閉じ込められるが、単一結節動物では、gnotobiotic宿主に特有の緩やかな蠕動運動により、この制限はなくなる(18)。 さらに、従来の複雑な生態系では、ある細菌種の存在によって誘導された宿主遺伝子発現のアップレギュレーションまたはダウンレギュレーションが、別の種の影響によって否定される可能性がある（26）。 したがって、より生態学的な観点からは、加法的アプローチ（無菌動物＋細菌種）を放棄し、減法的アプローチ（従来型動物-細菌種）を採用することが望ましいと思われる。 乳酸菌を欠くが、機能的には従来のマウスと同等の複雑な微生物叢にコロニー化されたマウスが作製されており、宿主遺伝子の発現制御に対する同種および自家乳酸菌の影響を判断するための理想的なモデルを提供すると思われる(61)。
実用的な観点から、乳酸菌代謝が農場の動物の栄養および生理学に与える影響は重要な研究分野である。 抗菌剤は数十年前から家畜の餌に添加されているが、家畜の成長速度が増強され、飼料転換が改善される正確なメカニズムは不明である。 FeighnerとDashkeviczは、ブロイラー鶏の餌に抗菌剤を添加すると、鳥の回腸における胆汁酸塩ヒドロラーゼ活性が低下することを報告した(12)。 これは、少なくともマウスの腸内細菌叢のメンバーの中では、乳酸菌がこの酵素活性の多くを担っていることから、特に重要な観察結果であったと思われる(62, 64)。 胆汁酸加水分解酵素は、共役胆汁酸塩のステロイド核からアミノ酸を切断する触媒作用がある。 乳酸菌がなぜこのような性質を持つ酵素を産生するのかは不明である。なぜなら、脱共役化プロセスによってエネルギー的に利益を得ることはできないからであるが、比較的高濃度の共役胆汁酸が放出される小腸の通過に耐えるために必須の性質である可能性がある(8)。 乳酸菌の脱共役活性は宿主にとって重要である。なぜなら、脱共役胆汁酸塩は食事脂質の乳化やミセル形成にあまり有効でないからである。 したがって、小腸内の乳酸菌の胆汁酸塩ヒドロラーゼ活性は、宿主による脂質の消化吸収を損なう可能性があり、急速な成長と効率的な飼料転換が収益性に求められる養鶏・養豚業において、重要な意味を持つ可能性がある。 最近、腸内細菌叢の系統に注目が集まっているが、複雑な細菌群集やその個々の構成要素の微生物生理学にはほとんど関心が持たれていない（16、17、32、33、35、68）。 このアンバランスを是正する時期に来ている。 乳酸菌は、家畜の宿主（ニワトリ、ブタ）との関係が他の微生物叢のメンバーよりもはるかに明確であるため、このような生理学的研究のモデル細菌となり得る（3, 14, 19）。 健康な宿主では、微生物叢の存在は免疫系によって許容されているが、そのメカニズムは正確には分かっていない(10)。 しかし、ヒトの炎症性腸疾患患者や免疫系が機能不全の実験動物が慢性的に腸粘膜の免疫介在性炎症に苦しんでいることから、微生物叢に対する耐性が存在すると推察できる（45, 53）。 多くの証拠が、このくすぶり続ける炎症の燃料として微生物叢の存在を指摘している。 従って、健康な動物における自己由来の微生物と免疫系の関係は、寛容の関係であるに違いなく、そのメカニズムについて調べる必要がある。 一方、allochthonous microbe-immuneシステムの関係は、少なくとも初期においては、全く異なるものであると考えられる。なぜなら、免疫系は異なる細菌株と出会うたびに、新しい抗原複合体を経験することになるからである。 同じ菌株との密接な出会いが、偶然であれ（食物マイクロバイオータ）、意図的であれ（プロバイオティクス）、継続的に行われれば、やがて耐性が生じるものと思われる。 乳酸菌は免疫細胞からの応答を引き起こすことが示されているが、報告されている研究の多くは、そのような応答が生体内で発生した場合の宿主にとっての自然な結果を確立できていない（6, 21, 27, 43）。 特に、高リスク群における下痢の有病率に関する予備的研究を除けば、病気に対する抵抗力に関して、乳酸菌が地域社会の健康な人間の免疫システムに与える影響についての測定結果は得られていない（48）。 プロバイオティクスは、腸内細菌叢の構成を変えるような大きな効果はないようだが、炎症性腸疾患やアレルギーなど、免疫学的病因を持つ特定の疾患に関連して、免疫系を操作する役割を持つ可能性がある。 この点で登場した心ときめく報告は、単一の研究グループから発せられた小規模な研究の報告であることに留意しなければならない（15、29）。 医学的成果が関与する場合、民族構成や文化的価値の異なるさまざまな地理的場所で、非常によく定義された患者集団における有効性を証明する大規模な包括的試験が必要である。
乳酸菌は明らかに、生物医学的応用と、細菌細胞が腸の生態系でいかに機能するかの基礎知識を習得するための両方において、微生物学者にとって興味深い研究の可能性を秘めている。 モデル腸内細菌として、宿主の福祉に関連する細菌生理学を理解するだけでなく、自家中毒を定義する分子メカニズムについて学ぶことができるかもしれません。 このような理由から、乳酸菌は多くの微生物学者に愛され続けている。