【研究成果報告】LEDの放射特性を利用した病原微生物制御法の確立と医療・食品衛生分野への応用

2017年12月8日

平成29年度 若手研究者学長表彰 研究成果報告

 

報告者

徳島大学大学院医歯薬学研究部 予防環境栄養学分野 馬渡 一諭

 

研究タイトル

LEDの放射特性を利用した病原微生物制御法の確立と医療・食品衛生分野への応用

 

研究経緯等

【研究グループ】

  • 徳島大学大学院医歯薬学研究部 予防環境栄養学分野 高橋章
  • 徳島大学大学院医歯薬学研究部 予防環境栄養学分野 上番増喬
  • 徳島大学大学院医歯薬学研究部 予防環境栄養学分野 下畑隆明
  • 徳島大学大学院社会産業理工学研究部 電気電子システム分野 木内陽介
  • 徳島大学大学院社会産業理工学研究部 電気電子システム分野 芥川正武
  • 徳島大学大学院社会産業理工学研究部 電気電子システム分野 榎本崇宏
  • 徳島大学大学院社会産業理工学研究部 生物資源生産科学分野 宮脇克行
  • 徳島大学大学院社会産業理工学研究部 食料科学分野 中橋睦美

 

【学術誌等への掲載状況】(2012年度以降)

1.『透析液の細菌汚染調査と近紫外線発光ダイオードによる殺菌効果の評価』馬渡 一諭, 渡邊 瞳, 西坂 理沙, 中橋 睦美, 常冨 愛香里, 児島 瑞基, 野上 夏希, 牧野 美鈴, 増田 瑠見子, 下畑 隆明, 上番増 喬, 榎本 崇宏, 芥川 正武, 木内 陽介, 高橋 章. 電子情報通信学会技術研究報告 第117巻165号 13-16ページ(2017)

2.『近紫外線発光ダイオード(UVA-LED)を用いた殺菌システムの応用』馬渡 一諭, 高橋 章, 西坂 理沙, 常冨 愛香里, 渡邊 瞳. 食品と開発 第51巻 第3号13-15ページ(2016)

3.『Combined treatment of UVA irradiation and antibiotics induces greater bactericidal effects on Vibrio parahaemolyticus』Yanfei Hou, Mutsumi Nakahashi, Kazuaki Mawatari, Takaaki Shimohata, Takashi Uebanso, Yumi Harada, Akari Tsunedomi, Takahiro Emoto, Masatake Akutagawa, Yohsuke Kinouchi, Akira Takahashi.The Journal of Medical Investigation 第63巻 第1,2号 63-67ページ(2016)

4.『Identification and Purification of the CPD Photolyase in Vibrio parahaemolyticus RIMD2210633』Zehong Su, Gaojian Lian, Kazuaki Mawatari, Ping Tang, Shuya He, Takaaki Shimohata, Yimou Wu, Weidong Yin, Akira Takahashi. Photochemistry and Photobiology 第91巻 第5号1165-1172ページ(2015)

5.『DNA-binding protein HU coordinates pathogenicity in Vibrio parahaemolyticus』Ngoc Quang Phan, Takashi Uebanso, Takaaki Shimohata, Mutsumi Nakahashi, Kazuaki Mawatari, Akira Takahashi. Journal of Bacteriology 第197巻 第18号2958-2964ページ(2015)

6.『Campylobacter jejuni infection suppressed Cl- secretion induced by CFTR activation in T-84 cell』Sachie Negoro, Takaaki Shimohata, Syo Hatayama, Yuri Sato, Mari Matsumoto, Hitomi Iba, Mutsumi Aihara, Takashi Uebanso, Yasuhiro Hamada, Yoshikazu Nishikawa, Shinji Yamasaki, Kazuaki Mawatari, Akira Takahashi. Journal of Infection and Chemotherapy 第20巻 第11号 682-688ページ(2014)

7.『Simultaneous irradiation with different wavelengths of ultraviolet light has synergistic bactericidal effect on Vibrio parahaemolyticus』Mutsumi Aihara, Kazuaki Mawatari**, Akiko Hirata, Miki Maetani-Yasui, Takaaki Shimohata, Takashi Uebanso, Yasuhiro Hamada, Masatake Akutagawa, Yousuke Kinouchi, Akira TakahashiPhotochemistry and Photobiology 第90巻 第6号 1397-1403ページ(2014)

8.『Vegetable Surface Sterilization System Using UVA Light-Emitting Diodes』Mutsumi Aihara, Xin Lian, Takaaki Shimohata, Takashi Uebanso, Kazuaki Mawatari, Yumi Harada, Masatake Akutagawa, Yohsuke Kinouchi, Akira Takahashi. The Journal of Medical Investigation第61巻 第3,4号 285-290ページ(2014)

9.『Inactivation of MS2 Phage and Cryptosporidium parvum Oocysts Using UV-A from High-Intensity Light-Emitting Diode for Water Disinfection』Atsushi Hashimoto, Kazuaki Mawatari, Yohsuke Kinouchi, Masatake Akutagawa,, Naotomo Ota, Kazuyuki Nishimura, Tsuyoshi Hirata, Akira Takahashi. Journal of Water and Environment Technology 第11巻第4号299-307ページ(2013)

10.『食品分野における非加熱殺菌技術(エヌ・ティー・エス)』第10講「近紫外線発光ダイオードを用いた殺菌システム」p150-166担当、馬渡一諭, 高橋章,粟飯原睦美,芥川正武(2013)

11.『VP2118 has major roles in Vibrio parahaemolyticus response to oxidative stress』Tam Thi Thanh Le, Kazuaki Mawatari, Miki Maetani, Tomomi Yamamoto, Sayaka Hayashida, Hitomi Iba, Mutsumi Aihara, Akiko Hirata, Takaaki Shimohata, Takashi Uebanso, Akira Takahashi. Biochimica et Biophysica Acta-General Subject 第1820巻 第10号1686-1692ページ(2012)

12. 『VopB1 and VopD1 are essential for translocation of type III secretion system 1 effectors of Vibrio parahaemolyticus』Takaaki Shimohata, Kazuaki Mawatari, Hitomi Iba, Masakazu Hamano, Sachie Negoro, Shoko Asada, Mutsumi Aihara, Akiko Hirata, Zehong Su, Akira Takahashi. Canadian Journal of Microbiology(査読有)第53巻第9号1084-1090ページ(2012)

13.『Sterilization effect of UV light on Bacillus spores using TiO(2) films depends on wavelength』Le Thi Tuyet Nhung, Hirofumi Nagata, Akira Takahashi, Mutsumi Aihara, Toshihiro Okamoto, Takaaki Shimohata, Kazuaki Mawatari, Masatake Akutagawa, Yosuke Kinouchi, Masanobu Haraguchi. The Journal of Medical Investigation 第59巻第1,2号53-58ページ(2012)

 

研究概要

近年、高病原性のウイルス・細菌による新興・再興感染症の増加や多剤耐性細菌の出現により、抗菌薬など薬剤のみ感染症コントロールが困難になりつつあります。また、医療品や食品のグローバルな自由化が進み、薬剤フリーで病原微生物を制御するに対する手法の開発が求められています。そこで、発光ダイオード(LED)の放射特性を利用した病原微生物の感染制御に着目しました。LEDは順方向に電圧を加えた際に発光する半導体素子で、特殊なフィルターを介さずに特異的な波長を発光させることが可能です。また、省電力・長寿命かつ小型化が可能で水銀フリーであることから、より安全性が求められる分野への応用が期待されます。そこで本研究では、LED照射光を用いて波長の違いによる病原微生物の光応答機構をトランスクリプトーム、プロテオーム、さらにメタボロームのマルチオミクス解析により明らかにし、病原微生物の病原性や増殖などの制御機構を解明します。さらに、このLED照射光による病原微生物制御技術の医療衛生や食品衛生分野への応用を目指します。

 

図1
図1. 紫外線の種類と近紫外発光ダイオード(UVA-LED)

 

 

図2
図2. UVA-LED照射による病原性細菌への殺菌効果

 

 

図3
図3. UVA-LED照射による殺菌メカニズム

 

 

図4
図4. 細菌以外の病原微生物に対する不活化効果(微細藻類、ウイルス、原虫など)

 

 

図5
図5. 開発したUVA-LED殺菌・不活化システムの例

 

 

今後の展望(研究者からのコメント)

私たちの研究グループは、様々な波長のLEDを用いて病原微生物の光応答性に関する研究を行ってきました。UVC(254nm)とUVA(365nm)とでは、病原性細菌に与える傷害のメカニズムが異なる(Environ Microbiol Rep 2010, 図2)ことや、この2つの波長を同時に照射すると傷害性が相乗される(Photochem Photobiol 2014, 図6)ことを見出しました。また、UVA照射よって活性が制御される2つタンパク質を見出しました(Photochem Photobiol 2015, Biochim Biophys Acta. 2012, 図3)。これら紫外線の波長の違いよる制御の特異性はウイルスやファージ、微細藻類、原虫など細菌以外の病原微生物でも確認してきました(J Water Environ Tech 2013. J Solid Light Life Innov 2017, 図3)。これらのエビデンスをもとに、医科栄養学科に設置されたメタボロームシステムを用いた解析を取り入れるなど、トランスオミクス解析による詳細な制御機構の解明を行っています。これらLED照射光による病原微生物の制御技術を医療衛生や食品衛生の分野へ応用するために、多くの企業と応用技術及び新規照射装置の開発を共同で進めているところです。

 

その他参考となる事項

http://www.tokushima-u.ac.jp/med/culture/yobokankyoeiyo/ (予防環境栄養学分野ホームページ)