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yuanyuan.liu@insaoptics.com
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上海市青浦区華志路1388号華新中交デジタル智造港6号棟
Yingsa Optical Instrument (Shanghai) Co., Ltd
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上海市青浦区華志路1388号華新中交デジタル智造港6号棟
微生物検出におけるFourier赤外分光法(FT−IR)の応用は主に微生物細胞内成分の赤外吸収特徴を分析することによって迅速な型分けを実現した。赤外スペクトルを微生物学に応用する考えは、細胞中のすべての生体分子が赤外線放射を吸収することで振動を励起できるという事実を利用している。これらの分子には単結合が存在し、各分子の構造が異なるため、各分子は特徴的な指紋吸収スペクトルを得ることができる。細菌は多くの異なる種類の分子からなる非常に複雑なシステムであるが、構造、機能、組成には顕著な違いがある。単分子が特定のスペクトルパターンを生成するように、異なるタイプの細菌も特定のスペクトル指紋を生成する。
微生物赤外線スペクトル図は細胞成分のスペクトル図であり、広いピーク、輪郭線を呈し、化学情報は輪郭線に埋蔵されているため、主要な吸収ピークは帰属することができるが、微生物の鑑別にとって、完全な構造確証を行うことはできないため、化学計量学の方法によって区別と鑑別を実現する必要がある。

FTIRはまた、未知のスペクトルを参照ライブラリのスペクトルと比較することにより、種または菌株レベルで同定することができる。他の微生物同定方法とは異なり、FT-IR法は1ステップで培養し、測定と評価も消耗品や試薬がなく、サンプルの測定と鑑別に1分しかかからない。
サンプルの調製、測定と評価
◆1−微生物サンプリング:多くの微生物は寒天平板上で繰り返し成長できるため、第一歩は正しい培養条件を見つけることである。寒天平板上で細胞を培養するという簡単で一般的な技術を用いて、便利なサンプル調製を実現することができる。例えば、細菌はまず寒天平板上の異なる細胞密度の象限で16〜24時間培養し、非常に信頼性の高い結果を得ることができる。第3象限からのみコロニーを採取する。研究により、この方法の成功の鍵は収集条件の標準化と寒天平板上の細菌成長の一致性にあることが分かった。いくつかの改良(例えば、液体培地の改変、または培養時間/温度の変更)を行うこともできる。しかし、信頼性の高い結果を得るためには、すべての測定が同じ条件で行われていることを確認する必要があります。
◆2−細菌測定技術:微生物同定のための技術は、単純で高い再現性を必要とする。微生物溶液がゆっくり乾燥すると、微生物細胞は固体生体膜を生成する。このプロセスを最適化することにより、操作が容易なサンプル調製プログラムが得られ、赤外線測定に必要な再現性を満たす。赤外光は生体膜を透過し、細胞中に存在する異なる分子部分に吸収され、測定された菌株ごとに特有の化学指紋を生成する。
スペクトルライブラリの構築
FT−IR微生物同定について、私たちが最も関心を持っている問題は結果の精度であり、その鍵は参照ライブラリの品質にかかっている。微生物のライブラリは一般的なライブラリとは異なり、結果の信頼性を保証するためには、標準化された条件下でシステム化されたライブラリを構築する必要があります。
まず、微生物の繰り返し培養を確保する必要がある。培地、培養条件(例えば時間、温度)及び試料前処理は赤外スペクトルに影響を与えるため、これらの条件は標準化操作規程を作成する必要がある。
第二に、試料の前処理過程における非相同性と変異性(例えば試料量、菌膜の乾燥程度など)及び測定因子(例えば試料が粒子を呈することによる光散乱など)は赤外スペクトル図に影響を与える。したがって、赤外線スペクトルの再現性を確保するためには、同じサンプルを複数回測定する必要があります。
第三に、赤外線同定を行う未知のサンプルの信頼性は、参照スペクトルのライブラリ信頼性に基づいて構築される。そのため、参考菌株は信頼できる方法で同定しなければならない。そうしないと、スペクトルライブラリ内の不正な情報が最終的な鑑定結果の偏差につながります。複数の顕著なスペクトル領域を組み合わせて、既知の細菌菌株のデータベースを構築することができる。未知の細菌を分類し、同定するために、スペクトル情報を既知の細菌の参照データベースと比較し、スペクトルパターンが未知の菌株と一致する微生物を示した。異なる微生物スペクトルの類似度は、樹状図の形式で図形化して記述することもできる。
未知の菌株スペクトルとデータベースの一般的な比較
樹状図において、未知菌株のスペクトルは偽単胞菌スペクトルと高度な類似性を示した。同定のために、未知の細菌のスペクトルを既存のライブラリと比較し、ヒット値で類似度を表示することができる。2種類のシュードモナスの命中値はいずれも低く、この未知菌株がシュードモナスであることを確認した。蛍光シュードモナスの命中値はグループの閾値を下回った。これは未知の菌株が蛍光仮細胞菌属に属していることを示している。菌株レベルで更なる同定を行うためには、未知のシュードモナス・菌株とシュードモナス・菌株のみのスペクトルを含む参照データベース(サブライブラリ)を比較しなければならない。
応用事例
◆鄒薬品汚染菌の検査:大腸エヒ菌、黄色ブドウ球菌など6種類の制御菌を迅速に鑑別でき、検査時間は3時間以内に短縮された。
◆口腔微生物研究:50株の口腔菌株を分類し、特徴吸収ピーク領域は3000-2800 cm⁻、1500-1400 cm⁻、1200-900 cm⁻であり、クラスター結果は標準菌株と高さが一致した。
小結:
FTIRは微生物菌株の分類に迅速、高フラックス、非破壊性(サンプルを損傷したり変更したりしない)、環境保護、コスト効果が高く、時間を節約するツールを提供し、食品微生物学、疫学、臨床診断における各種応用に非常に適している。