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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？

基本信息

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

项目摘要

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。

This paper discusses the universality of Bacillus cereus, the phenomenon of migration, the relationship between drying tolerance and the Tg of bacterial cells, and the effect of drying process on their survival. Results, B.cereus cell temperature, drying method, preservation aw, drying temperature influence. The temperature difference between Tg and cell preservation is used to determine the survival of B.cereus cells in dry environment. Freeze-drying of bacteria (Cronobacter sakazakii) to adjust the moisture activity (aw), 25℃ to moderate the movement of Low aw field, low aw field, high aw field, low aw field, high aw field, high aw field, low field, high aw field The relationship between force relaxation and aw is determined by the initial aw of bacteria softening (mechanical response). The average square displacement (MSD) of the neutral and heavy water atoms in the bacterial sample was evaluated. The temperature dependence of MSD changes from temperature to dynamic transition temperature (Td), which determines the highest temperature, Td increases from 25 ℃ to 25 ℃, and Td decreases from 25℃ to 25 ℃. The hydrophilic amorphous polymer of bacteria is stable and stable, and the bacteria is active again. The relaxation time is about 10^-5 seconds. Polymer science is divided into amorphous materials hardening agent and plastic agent, which can change the temperature and control the quality. This is the same as the possibility of static control of microorganisms.

项目成果

期刊论文数量（8）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

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

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
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

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
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
影响因子：
0
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