Why can microorganisms withstand drying? Elucidation of drying adaptation mechanism by glass transition of microbial cells

为什么微生物能经受干燥？

• 批准号: 21H04710
• 负责人: 小関 成樹
• 金额: $ 27.37万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04710/
• 关键词: ガラス転移; 水分活性; 含水率; 適合溶質; 中性子散乱法; 乾燥耐性; 熱分析; 乾燥; 水分; 微生物

これまでに検討されていないグラム陽性病原菌の一つであるBacillus cereusを対象として、ガラス転移現象と乾燥耐性との関係性の普遍性を検討するとともに、乾燥過程の違いが細菌細胞のTgや生存挙動に与える影響を明らかにすることを目的とした。その結果、B.cereus細胞のガラス転移温度は、乾燥方法や保存aw、乾燥温度の影響があった。さらにTgと菌体を保存した温度の差を用いることで、乾燥条件や乾燥後の保存条件の違いによらず、乾燥環境下におかれたB.cereus細胞の生存挙動を判断できることが分かった。凍結乾燥した細菌（Cronobacter sakazakii）を様々な水分活性（aw）に調製し、25℃での応力緩和挙動を調べた。低aw領域では殆ど応力緩和しなかったが、高awでは応力緩和が見られた。応力緩和の度合いとawとの関係から、細菌が軟化（力学応答として捉えたガラス-ラバー転移）を開始するawを決定した。一方、重水を用いて様々なawの細菌試料を調製し、中性子弾性散乱から原子（主に水素）の平均二乗変位（mean square displacement, MSD）を温度の関数として評価した。MSDの温度依存性が変化する温度を動力学転移温度（dynamical transition temperature, Td）として決定し、最も高温で認められたTdはawの増加と共に直線的に低下し、Tdが25℃になるときのaw は、力学的ガラス-ラバー転移が起こるawと一致した。細菌を親水性の非晶質高分子と仮定すると、静菌した細菌が活動再開するには緩和時間10^-5秒程度の分子ダイナミクスが必要であると見積もられた。高分子科学分野では非晶質材料に硬化剤や可塑剤を配合することでガラス-ラバー転移温度を変化させて品質を制御している。これと同じように微生物の静菌挙動も制御できる可能性を示した。

Youdaoplaceholder6 れまでに検 to seek されて な な グラム グラム グラム positive pathogenic bacteria to spread the virus to されて であるBacillus Cereus を like と seaborne し て, ガ ラ ス planning shift と dry patience と の masato is の universal を beg す 検 る と と も に, drying process の violations い が bacterial cells の Tg や survival 挙 に and え る influence を Ming ら か に す る こ と を purpose と し た. Youdaoplaceholder0 そ results, B.cereus cells <s:1> ガラス転 transfer temperature, drying method や preservation aw, drying temperature <s:1> influence があった. さ ら に Tg と bacteria を save し の た temperature difference を with い る こ と で dry, dry conditions や の preservation conditions の violations い に よ ら ず, dry environment に お か れ た biggest ereus cells の survival 挙 を judgment で き る こ と が points か っ た. Freeze drying し た bacteria (Cronobacter sakazakii) を others 々 な water activity (aw) に modulation し, 25 ℃ で の 応 force easing 挙 motion を べ た. In the low aw domain, で 応 almost 応 応 force moderates <s:1> な ったが ったが; in the high aw domain, で 応 応 force moderates が. See られた. 応 force easing の degrees or い と aw と の masato is か ら, bacteria が softening (mechanical 応 answer と し て catch え た ガ ラ ス - ラ バ ー planning move) を began す る aw を decided し た. Side, heavy water を い て others 々 な aw の bacteria sample を modulation し, temper in 弾 sex scattered か ら atoms (main に water element) の mean squares - a (mean square below, MSD) を temperature の masato number と し て review 価 し た. MSD <s:1> temperature dependence が transformation する temperature を dynamic 転 transition temperature (dynamical transition temperature) Td) と し て decided し, the high temperature も で め ら れ た Td は aw の raised plus と に linear low に し, Td が 25 ℃ に な る と き の aw は, mechanics ガ ラ ス - ラ バ ー planning move since が こ る aw と consistent し た. Bacteria を hydrophilic の amorphous polymer と 仮 set す る と, static bacteria し が た bacteria activity to open す る に は 10 ^ - 5 seconds alleviation の molecular ダ イ ナ ミ ク ス が necessary で あ る と see product も ら れ た. Polymer science eset で は に amorphous material hardening tonic や plastic tonic を cooperate す る こ と で ガ ラ ス - ラ バ ー を planning move temperature variations change さ せ て quality を suppression し て い る. <s:1> れと is the same as じように. Microbial <s:1> static bacteria 挙. The possibility of controlling で る る を shows that を た.

项目成果

吸湿による乾燥微生物の再活性メカニズム

干燥微生物吸湿再活化的机理

• 发表时间: 2022
• 作者: 川井 清司;曽我部 知史、中川 洋、山田 武、小関 成樹
• 通讯作者: 曽我部 知史、中川 洋、山田 武、小関 成樹

中性子非干渉性散乱による生体系および食品中の水のダイナミクスの研究

通过非相干中子散射研究生物系统和食品中的水动力学

• 发表时间: 2022
• 作者: Horiuchi Yuya;Midori Koshiro;Kim Hyung Do;Ohkita Hideo;中川 洋
• 通讯作者: 中川 洋

Effect of water activity on the mechanical glass transition and dynamical transition of bacteria

水分活度对细菌机械玻璃化转变和动力学转变的影响

• DOI: 10.1016/j.bpj.2022.09.001
• 发表时间: 2022
• 期刊: Biophysical Journal
• 影响因子: 3.4
• 作者: Sogabe Tomochika;Nakagawa Hiroshi;Yamada Takeshi;Koseki Shigenobu;Kawai Kiyoshi
• 通讯作者: Kawai Kiyoshi

Effect of NaCl on water activity and dynamics of protein hydration water dynamics in proteins by quasi-elastic neutron scattering

NaCl 对水活度和蛋白质水合动力学的影响 通过准弹性中子散射研究蛋白质中的水动力学

• DOI: 10.1002/masy.202200071
• 发表时间: 2022
• 期刊: Macromolecular Symposia
• 作者: Jeon Jihun;Doi Kiyotaka;Kim Hyung Do;Ogawa Hiroki;Takenaka Mikihito;Ohkita Hideo;小柳津研一;Hiroshi Nakagawa
• 通讯作者: Hiroshi Nakagawa

The Characteristics of Desiccation Tolerant Microorganisms and Its Survival Mechanisms

耐干燥微生物的特性及其生存机制

• DOI: 10.50963/jenvbio.22.1_33
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of Environmental Biotechnology
• 作者: 小関 成樹;川井 清司
• 通讯作者: 川井 清司