| 研究課題/領域番号 |
23K22482
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01211 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分14030:プラズマ応用科学関連
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
北野 勝久 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (20379118)
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| 研究分担者 |
座古 保 愛媛大学, 理工学研究科(理学系), 教授 (50399440)
白木 賢太郎 筑波大学, 数理物質系, 教授 (90334797)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
2024年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2023年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2022年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円)
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| キーワード | プラズマ誘起液中化学反応場 / プラズマ医療 / 殺菌 / 生体高分子反応 / プラズマバイオ / プラズマ殺菌 / 大気圧プラズマ / 過硝酸 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
プラズマが生体へ与える影響を評価するためには、多くのカスケード反応が関与する生物化学反応系への適用であるため一筋縄にいかないが、相関関係だけではなく因果関係を明らかにし、作用因子ならび機序を解明し、科学研究としてのステージへ進まなければならない。生体への影響を、プラズマ誘起液中化学反応場として捉え、液相中に供給される化学種そのものとそれらが生体分子に与える化学反応に関する網羅的な研究を進めることにより、特定のマクロな現象でトリガーとなるキー化学反応を同定し、それにより生成された化学種による生体への影響を検討する学術基盤を構築する事が本研究の目的である。
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| 研究実績の概要 |
これまで行ってきたプラズマ殺菌の研究において格段に高い殺菌力が得られる低pH法における殺菌作用では、細胞に形態的な変化が生じずに、代謝に係わる生理活性が残存したまま、増殖活性のみが失われてるという特徴があった。このような特異的な殺菌は、UV殺菌においてDNAダメージが生じるケースと類似しているが、プラズマ殺菌の場合はDNAのダメージが皆無であった。そのため、細胞内のタンパク質の化学修飾による生化学的な不活化が重要であると考え、ポリアクリルアミド電気泳動（SDS-PAGE）によるタンパク質の分析を試みた。
染色方法にもよるのだがSDS-PAGEでは、多くの細菌からタンパク質を回収する必要があり、殺菌対象の菌液の高濃度化ならび大量化を行うこととした。過去に行ってきた殺菌条件と同じような反応速度で殺菌が可能な条件を見つけることから実験を進めた。
殺菌後の細菌のタンパク質を分析したところ、特定のバンド構造のシフトを示唆する結果が得られたものの、化学反応速度論的な評価を行うためには、上記に示したようにタンパク質の量が不十分であったために、十分に高いS/Nが得られなかったが、最適化が進んだことから今後は十分なS/Nが得られる目処が付いた。一般的な殺菌実験では生菌数を数桁低下させるが、細胞へのダメージの評価はリニアでの評価になるために、生菌数の低下、つまり殺菌効果を1桁程度に押さえつつ、その時に生じる生体分子の化学修飾を評価する必要があり、この点が実験的に難易度が高い。
生体分子の一つであるアミロイドβに関する研究を進めた。凝集することで生体内のプロテアーゼにより分解が困難な形態になり、アルツハイマー病の原因となっている。過硝酸は化学修飾が行われ凝集が起こりにくくなることが判明した。このような研究によりアルツハイマー病の原因物質に関する知見が得られる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
電気泳動を行ったゲルの高精度透過型スキャナーを用いた分析装置の立ち上げを行い、殺菌処理後のタンパク質のバンドシフトを高分解能で評価する実験系の構築が完了した。このような装置により、殺菌処理後の大腸菌のポリアクリルアミド電気泳動（SDS-PAGE）によるタンパク質の分析を行い、特定のバンドがシフトしていることがわかった。
また、低pH法における殺菌因子である過硝酸は、過去に殺菌分野で利用されたことのない化学物質であるため、その殺菌機序の解明は当該分野以外への波及効果も高い。プラズマから液中へ供給されて化学物質は過硝酸以外にも多岐にわたるが、それぞれの化学種ごとの細胞へ与える影響を評価する必要があり、さらに化学種のスペクトルが空間分布を持つ時間的に変動する反応場であることを理解する必要があり、気液界面とmmオーダーの深部においては全く異なる反応場であることを前提に評価を進める必要があり、このような立場で反応場の理解を進めている。このように時間空間的に化学種スペクトルが変化する複雑な反応場に関する研究は独自性があり、評価も困難であるが、プラズマバイオ応用の反応素過程を理解するためには必須の研究課題である。
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| 今後の研究の推進方策 |
プラズマから液体に対しては様々な化学種が供給されて、それぞれの化学種ごとに影響を評価する必要があり、それぞれ反応機序が異なるはずである。そのために一般的に行われているプラズマ殺菌と、低pH法やプラズマ処理水の低温保存等の技術により研究代表者らが開発してきた液中殺菌反応場では、少なくとも殺菌力が100倍以上は異なっており、作用機序は全く異なると考えられる。しかしながら、学術研究としては「殺菌力を高めた状態」の理解のみにとどめずに、様々な条件での作用機序の理解を進める必要があり、これまでに行っていなかった中性pH領域での照射実験などを、十なコントロール実験をいつつ、評価を進めていかなければならない。このような反応素過程の研究を進める事で、プラズマ殺菌のみならず、プラズマ医療やプラズマ農業分野の反応素過程に関する研究へ貢献が可能である。
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