プラズマと菌細胞ミクロ構造体との相互反応ダイナミクス

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Creation of Science of Plasma Nano-Interface Interactions
• Project/Area Number: 21110006
• Research Institution: Meijo University
• Principal Investigator: 伊藤 昌文 名城大学, 理工学部, 教授 (10232472)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 太田 貴之 名城大学, 理工学部, 准教授 (10379612) ; 竹田 圭吾 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助教 (00377863)
• Keywords: プラズマ / 殺菌 / 蛍光 / 分光 / カビ / レーザ誘起蛍光法

Research Abstract

本研究は,ラジカルと植物性菌細胞のナノ界面階層的反応ダイナミクスをモニタリングする新規システムを構築し,ナノ領域で顕在化するプラズマと細胞との相互反応が細胞階層構造に与えるダイナミクスを分子レベルで明らかにすることを目指している.
プラズマ殺菌メカニズムとして,紫外及び真空紫外吸収分光法を用いたオゾン及び基底状態の酸素ラジカル密度測定と,それぞれの殺菌速度から、殺菌反応定数という新しい定量的指標に基づき評価を行った.その結果,基底状態の原子状酸素ラジカルによる殺菌は,オゾン殺菌と比べて2桁程度効率が大きいことが定量的に初めて明らかになった.また,酸素ガス流量比が0.6%のときに酸素ラジカル密度が最大値をとる一方で,殺菌速度が最も早くなり、酸素ラジカル密度と逆相関となった.この結果から,基底状態の原子状酸素ラジカルが殺菌に主要な活性種であることが明らかになった.
階層的反応ダイナミクスを明らかにするために,蛍光染色を用いてミドリカビの生体機能への影響を調査した.細胞膜を染色する蛍光色素DiIを用いて,プラズマ殺菌,紫外光殺菌,湿熱殺菌の3種類の処理を行った.紫外光照射,湿熱殺菌の場合は,細胞核など細胞内部に蛍光を発していないが,プラズマ照射のみ蛍光を発することが分かった.これはプラズマによって発生したラジカルによって細胞膜の機能が阻害されたために,色素が細胞内部に染色されたことを示唆する.したがって,ラジカル特有の効果があることが蛍光を用いた可視化により明らかになった.さらに過酸化脂質を染色するDPPPという色素を用いたところ,プラズマ照射後の場合のみ蛍光が確認され,細胞内の脂質が酸化されていることが明らかになった.過酸化脂質が蓄積するとDNAの破壊などが起こり細胞活動を停止するため,ラジカルによる細胞酸化がプラズマ殺菌における主要な殺菌原因であることが明らかになった.

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

共焦点レーザ蛍光顕微鏡による細胞機能の変化を観察することで階層的反応ダイナミクスを明らかにした.また,オゾン及び基底状態の酸素ラジカル密度測定と,それぞれの殺菌速度の評価から,基底状態の原子状酸素ラジカルによる殺菌は,オゾン殺菌と比べて2桁程度効率が大きいことを定量的に初めて明らかにしており,プラズマとカビ細胞との相互作用の解明を順調に進めている.

Strategy for Future Research Activity

これまで,オゾンや基底状態の酸素ラジカルとカビ細胞との相互作用の解明に着目してきた.今後は,それ以外の反応性の高く,細胞活性を刺激する因子(ラジカル)の密度を定量し,ラジカルがどのような影響を与えるかを調査し、プラズマとカビ細胞との相互作用を解明していく.

Research Products

• [Journal Article] Plasma Agriculture (2012)
  • Author(s): M.Ito, T.Ohta, M.Hori
  • Journal Title: Journal of the Korean Physical Society Volume: 60 Pages: 937-943
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laser Scattering Diagnosis of a 60-Hz Non-Equilibrium Atmospheric Pressure Plasma Jet (2011)
  • Author(s): F.Jia, N.Sumi, K.Ishikawa, H.Kano, H.Inui, J.Kularatne, K.Takeda, H.Kondo, M.Sekine, A.Kono, M.Hori
  • Journal Title: Applied Physics, Express Volume: 4 Pages: 026101
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inactivation of Penicillium digitatum Spores by a High-Density Ground-State Atomic Oxygen-Radical Source Employing an Atmospheric-Pressure Plasma (2011)
  • Author(s): S.Iseki, H.Hashizume, F.Jia, K.Takeda, K.Ishikawa, T.Ohta, M.Ito, M.Hori
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 4 Pages: 116201-1-116201-3
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ミドリカビ胞子からの電子スピン共鳴信号の同定 (2012)
  • Author(s): 森山寛子, 民谷和浩, 橋爪博司, 田中宏昌, 石川健治, 太田貴之, 伊藤昌文, 竹田圭吾, 近藤博基, 関根誠, 堀勝
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学,東京
  • Year and Date: 20120315-20120318
• [Presentation] Anti-tumor effects of ovarian cancer cells by nonequilibrium atmospheric pressure plasma (2012)
  • Author(s): S.Iseki, K.Nakamura, M.Hayashi, H.Tanaka, H.Kondo, H.Kajiyama, H.Kano, F.Kikkawa, M.Hori
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学,東京
  • Year and Date: 20120315-20120318
• [Presentation] Anti-tumor effects of glioma cancer cells by plasma activated medium (2012)
  • Author(s): H.Tanaka, K.Nakamura, S.Iseki, H.Moriyama, H.Kajiyama, K.Ishikawa, H.Kano, F.Kikkawa, M.Mizuno, M.Hori
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学,東京
  • Year and Date: 20120315-20120318
• [Presentation] Spatio-temporal behaviours of species generated by atmospheric pressure plasma (1) (2012)
  • Author(s): F.Jia, K.Takeda, K.Ishikawa, H.Kano, K.Jagath, H.Kondo, M.Sekine, M.Hori
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学,東京
  • Year and Date: 20120315-20120318
• [Presentation] Inactivation of spores of P.digitatum and its Quantitative-evaluation using non-equilibrium atmospheric-pressure high-density oxygen-radical source (2012)
  • Author(s): H.Hashizume, T.Ohta, M.Ito, S.Iseki, F.Jia, K.Takeda, K.Ishikawa, M.Hori
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学,東京
  • Year and Date: 20120315-20120318
• [Presentation] Real time in situ ESR measurements of Penicillium digitatum spores during oxygen radical irradiation (2012)
  • Author(s): K.Tamiya, K.Ishikawa, H.Hashizume, T.Ohta, M.Ito, H.Tanaka, H.Moriyama, K.Takeda, H.Kondo, M.Sekine, M.Hori
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学,東京
  • Year and Date: 20120315-20120318
• [Presentation] Plasma Agriculture (VI)-Fluorescence analysis of Penicillium digitatum spores on plasma inactivation using non-equilibrium atmospheric pressure plasma- (2012)
  • Author(s): T.Ohta, H Hashizume, T.Mori, M.Ito, K.Takeda, M.Hori
  • Organizer: 2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学,東京
  • Year and Date: 20120315-20120318
• [Presentation] Efficiency of Grpimd-state Atomic Oxygen for Inactivation of P.Digitatum Spores Evaluated by Atmospheric Pressure Oxygen Radical Source (2012)
  • Author(s): H.Hashizume, T.Ohta, M.Ito, S.Iseki, F.Jia, K.Takeda, K.Ishikawa, M.Hori
  • Organizer: The 5th International Conference on PLAsma-NanoTechnology & Science (IC-PLANTS 2012), p-19
  • Place of Presentation: Freude, Inuyama International Sightseeing Center, Aichi, Japan
  • Year and Date: 20120309-20120310
• [Presentation] ESR Signals Arisen from Penicillium Digitatum Spores (2012)
  • Author(s): H.Moriyama, K.Ishikawa, K.Tamiya, H.Hashizume, T.Ohta, M.Ito, H.Tanaka, K.Takeda, H.Kondo, M.Sekine, M.Hori
  • Organizer: The 5th International Conference on PLAsma-NanoTechnology & Science (IC-PLANTS 2012), p-20
  • Place of Presentation: Freude, Inuyama International Sightseeing Center, Aichi, Japan
  • Year and Date: 20120309-20120310
• [Presentation] Behaviours of Reactive Oxygen Species Generated by an Ar/O2 Atmospheric Pressure Plasma Jet (2012)
  • Author(s): F.Jia, K.Takeda, K.Ishikawa, H.Kano, J.Kularatne, H.Kondo, M.Sekine, M.Hori
  • Organizer: The 5th International Conference on PLAsma-NanoTechnology & Science (IC-PLANTS 2012)
  • Place of Presentation: Freude, Inuyama International Sightseeing Center, Aichi, Japan
  • Year and Date: 20120309-20120310
• [Presentation] Terahertz time-domain spectroscopy for Penicillium digitatum sterilization using non-equilibrium atmospheric pressure plasma (2012)
  • Author(s): T.Hiraoka, N.Ebizuka, K.Takeda, T.Ohta, K.Ishikawa, M.Ito, K.Kawase, M.Sekine, M.Hori
  • Organizer: 4th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterials (ISPlasma2012)
  • Place of Presentation: Chubu Univ., Aichi, Japan
  • Year and Date: 20120304-20120308
• [Presentation] Real time Electron Spin Resonance Observation of Penicillium digitatum spores interacted with plasmas (2012)
  • Author(s): K.Ishikawa, S.Iseki, H.Hashizume, T.Ohta, M.Ito, H.Kano, K.Takeda, H.Kondo, M.Sekine, M.Hori
  • Organizer: 4th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterials (ISPlasma2012)
  • Place of Presentation: Chubu Univ., Aichi, Japan
  • Year and Date: 20120304-20120308
• [Presentation] Selective killing of overian cancer cells through induction of apoptosis by a nonequilibrium atmospheric pressure plasma (2012)
  • Author(s): H.Tanaka, S.Iseki, K.Nakamura, M.Hayashi, H.Kondo, H.Kajiyama, H.Kano, F.Kikkawa, M.Hori
  • Organizer: 4th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterials (ISPlasma2012)
  • Place of Presentation: Chubu Univ., Aichi, Japan
  • Year and Date: 20120304-20120308
• [Presentation] Three dimensional investigation of activated species in O2/Ar nonequilibrium atmospheric pressure plasma, 4th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterials (2012)
  • Author(s): M.Kato, K.Takeda, K.Ishikawa, H.Kondo, M.Sekine, M.Hori
  • Organizer: 4th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterials (ISPlasma2012)
  • Place of Presentation: Chubu Univ., Aichi, Japan
  • Year and Date: 20120304-20120308
• [Presentation] Inactivation of fungi by low temperature atmospheric pressure plasma (2012)
  • Author(s): T.Ohta
  • Organizer: International Workshop on Plasma Science for Bio-Application
  • Place of Presentation: Meijo University, Nagoya, Japan(invited)(招待講演)
  • Year and Date: 2012-03-06
• [Presentation] Effect of oxygen radical for inactivation of P.digitatum by atmospheric pressure oxygen radical source (2012)
  • Author(s): H.Hashizume
  • Organizer: International Workshop on Plasma Science for Bio-Application
  • Place of Presentation: Meijo University, Nagoya, Japan(invited)(招待講演)
  • Year and Date: 2012-03-06
• [Presentation] プラズマと真菌細胞との反応モニタリング (2011)
  • Author(s): 伊藤昌文, 太田貴之, 竹田圭吾, 堀勝
  • Organizer: #1-7 A-18 PPANo.1632,第21回日本MRS学術シンポジウム「エコイノペーションを切り拓く先進材料研究III」
  • Place of Presentation: 横浜市開港記念会館(招待講演)
  • Year and Date: 20111219-20111221
• [Presentation] 低温大気圧プラズマとミドリカビ胞子の相互作用 (2011)
  • Author(s): 橋爪博司, 太田貴之, 森拓海, 伊藤昌文, 竹田圭吾, 石川健治, 堀勝
  • Organizer: Plasma Conference 2011 Conference & Exhibition
  • Place of Presentation: 石川県立音楽堂,金沢市
  • Year and Date: 20111122-20111125
• [Presentation] O2/Ar非平衡大気圧プラズマにおける活動週の3次元気相反応解析 (2011)
  • Author(s): 加藤正規, 竹田圭吾, 石川健治, 近藤博基, 関根誠, 堀勝
  • Organizer: Plasma Conference 2011 Conference & Exhibition
  • Place of Presentation: 石川県立音楽堂,金沢市
  • Year and Date: 20111122-20111125
• [Presentation] Evalutaion of Penicillium digitatum sterilization using non-equilibrium atmospheric pressure plasma by terahertz time-domain spectroscopy (2011)
  • Author(s): T.Hiraoka, N.Ebizuka, K.Takeda, T.Ohta, H.Kondo, K.Ishikawa, K.Kawase, M.Ito, M.Sekine, M.Hori
  • Organizer: 64th Annual Gaseous electronics Conference
  • Place of Presentation: Salt Lake City, USA
  • Year and Date: 20111114-20111118
• [Presentation] High Performance of 60-Hz Atmospheric Pressure Plasma : Basic Characteristics and Applications (2011)
  • Author(s): F.Jia, K.Takeda, K.Ishikawa, H.Inui, S.Iseki, H.Kano, H.Kondo, M.Sekine, M.Hori
  • Organizer: AVS58th International Symposium &Exhibition
  • Place of Presentation: Nashville Convention Center, Tennessee
  • Year and Date: 20111030-20111104
• [Presentation] Disinfection of fungal spores by atmospheric pressure plasma (2011)
  • Author(s): T.Ohta
  • Organizer: 4th international workshop on plasma scientech for all something (Plasas-4)
  • Place of Presentation: Beijing, China(invited)(招待講演)
  • Year and Date: 20111008-20111010
• [Presentation] Higly Spatial Mapping of Atomic Oxgen Dentisy in a 60-Hz Atmospheric Pressure Plasmas Using Clibrated two-Photon Laser-Induced Fluorescence (2011)
  • Author(s): F.Jia, K.Takeda, K.Ishikawa, H.Kano, H.Kondo, M.Sekine, M.Hori
  • Organizer: AEPSE2011
  • Place of Presentation: Furama Hotel, Dilian City, China
  • Year and Date: 20110919-20110922
• [Presentation] 高密度60Hz大気圧プラズマ生成酸素原子絶対密度の空間分布 (2011)
  • Author(s): Fendong Jia, 竹田圭吾, 石川健治, 加納浩之, 近藤博基, 関根誠, 堀勝
  • Organizer: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学小白川キャンパス
  • Year and Date: 20110829-20110902
• [Presentation] カビ胞子とプラズマの相互作用の電子スピン共鳴法による観察 (2011)
  • Author(s): 石川健治, 井関紗千子, 太田貴之, 伊藤昌文, 加納浩之, 竹田圭吾, 近藤博基, 関根誠, 堀勝
  • Organizer: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学小白川キャンパス
  • Year and Date: 20110829-20110902
• [Presentation] 非平衡大気圧プラズマを用いたミドリカビ殺菌におけるテラヘルツ分光センシング (2011)
  • Author(s): 平岡丈弘, 海老塚昇, 竹田圭吾, 太田貴之, 近藤博基, 伊藤昌文, 川瀬晃道, 関根誠, 堀勝
  • Organizer: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学小白川キャンパス
  • Year and Date: 20110829-20110902
• [Presentation] プラズマアグリカルチャー(V)-蛍光観察によるミドリカビ胞子内部の酸化の検証- (2011)
  • Author(s): 森拓海, 太田貴之, 菊地邦友, 土谷茂樹, 伊藤昌文, 井関紗千子, 堀勝
  • Organizer: 2011年秋季第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学小白川キャンパス
  • Year and Date: 20110829-20110902
• [Presentation] Fluorescent observation of Penicillium digitatum on atmospheric pressure plasma treatment (2011)
  • Author(s): T.Ohta, T.Mori, M.Ito, M.Hori
  • Organizer: The 20th International Symposium on Plasma Chemistry (ISPC20)
  • Place of Presentation: Philadelphia, USA
  • Year and Date: 20110724-20110729
• [Presentation] Spatial Distribution of Atomic Radical Generated by AC Excited Nonequilibrium Atmospheric Pressure Plasma (2011)
  • Author(s): K.Takeda, M.Kato, K.Ishikawa, H.Kondo, M.Sekine, M.Hori
  • Organizer: The 20th International Symposium on Plasma Chemistry (ISPC20)
  • Place of Presentation: Philadelphia, USA
  • Year and Date: 20110724-20110729
• [Presentation] Atom Behaivior of Ultrahigh Density 60 Hz Atmospheric Pressure Plasma under Ar ambient Conditions (2011)
  • Author(s): F.Jia, K.Takeda, K.Ishikawa, H.Kano, H.Kondo, M.Sekine, M.Hori
  • Organizer: 応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会20周年記念特別シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2011-10-22
• [Presentation] ミドリカビのプラズマ殺菌における酸素ラジカルの効果 (2011)
  • Author(s): 橋爪博司, 太田貴之, 藤昌文, 賈鳳東, 竹田圭吾, 堀勝
  • Organizer: 応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会20周年記念特別シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2011-10-22
• [Presentation] テラヘルツ時間領域分光法を用いた非平衡大気圧プラズマによるミドリカビ殺菌の評価 (2011)
  • Author(s): 平岡丈弘, 海老塚昇, 竹田圭吾, 太田貴之, 近藤博基, 石川健治, 川瀬晃道, 伊藤昌文, 関根誠, 堀勝
  • Organizer: 応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会20周年記念特別シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2011-10-22
• [Presentation] プラズマの農業分野への応用 (2011)
  • Author(s): 太田貴之
  • Organizer: 第2回プラズマ・バイオ融合若手研究会
  • Place of Presentation: 山形県天童市ほほえみの宿
  • Year and Date: 2011-09-02
• [Presentation] ミドリカビのプラズマ不活化処理 (2011)
  • Author(s): 太田貴之
  • Organizer: 日本学術振興会「プラズマ照射による医療用品の滅菌,エンドトキシンならびにプリオン不活化法と応用」に関する研究開発専門委員会
  • Place of Presentation: 千里ライフサイエンスセンター
  • Year and Date: 2011-04-25
• [Patent(Industrial Property Rights)] 滅菌表示装置および滅菌装置および青果物表皮の殺菌方法 (2012)
  • Inventor(s): 堀勝, 石川健治, 伊藤昌文, 太田貴之, 橋爪博司
  • Industrial Property Rights Holder: 学校法人名城大学
  • Industrial Property Number: 2012-037940
  • Filing Date: 2012-02-23