2019 Fiscal Year Annual Research Report
Multiscale Computational Chemistry Based on Quatum Theory for Suppresion of Biofilm Growth
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18K19662
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
畠山 望 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (50312666)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 衛生工学 / 水回り / 超高速化量子分子動力学法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
バイオフィルムの成長では、分子レベルの目に見えない汚れが起点となる。分子スケールの計算には、独自に開発した超高速化量子分子動力学法(UA-QCMD)を用いた。昨年度まで、基材として鏡を想定したアモルファスシリカ、シンクを想定したステンレス、排水口に用いられるポリマーを、また基材に吸着する流水物質については、重要とされる分子として尿石および尿素の基本物質に加えて、EPSと呼ばれるバイオフィルム細胞外高分子化合物に含まれる主要多糖類のアルギン酸、粘着物質として汚れに関わってくる生体由来タンパク質のアルブミンについて、それぞれ分子レベルのモデリングを行った。流水物質と水との競争吸着は、グランドカノニカルモンテカルロ法に基づく独自開発プログラムにより計算した。実スケールでのバイオフィルム成長・抑止解析および可視化は、基材表面の菌体を元に成長するバイオフィルムを粒子として表現して、動的モンテカルロ法に基づく独自プログラムを用いた。バイオフィルムの内部あるいは基材との結合力に対して、水流によるせん断応力が強ければ剥離を促進して、成長を抑止するため、マクロスケールの水流解析が重要となる。そこで、実験に使われるフローセルをモデル化して、現実を模擬する数値流体力学計算を行った。基材に対する銀などの抗菌元素の添加を考慮した上で、実験と比較できる実時間スケールのシミュレーションを行い、バイオフィルム成長の抑止を定量的に解析することに成功した。
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