JPH0634005B2 - 細胞の電気化学的識別方法 - Google Patents

細胞の電気化学的識別方法

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JPH0634005B2
JPH0634005B2 JP58221388A JP22138883A JPH0634005B2 JP H0634005 B2 JPH0634005 B2 JP H0634005B2 JP 58221388 A JP58221388 A JP 58221388A JP 22138883 A JP22138883 A JP 22138883A JP H0634005 B2 JPH0634005 B2 JP H0634005B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は各種細胞の電気化学的識別方法に係わり、より
詳しくは微生物や動植物等の細胞の新規な計数方法及び
それら細胞の種類の新規な判別方法に関する。
〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕
微生物等の種類の分類学的識別乃至同定は、臨床検査分
野を始めとして広汎な各種産業分野等に於いて極めて重
要な位置を占めているものであるが、その実施は所謂選
択培地を使用したコロニー計数法、顕微鏡直接観察法等
に依るものであるため、著しく煩雑且つ長時間を要する
ものとならざるを得なかった。
他方、本発明者らは、先に生細胞が電極に直接接触する
と電流が得られる現象を発見し、この現象を利用した電
気化学的菌数計数法を提案した〔アナリティカ ケミカ
アクタ、Anal. Chim.Acta,98,25(1978);アプライ
ド アンド エンバイアンメンタル マイクロバイオロ
ジー、Appl.Environ. Microbiol.,37,117(1979);及
び、ヨーロピアン ジャーナル オブ アプライド マ
イクロバイオロジー アンド バイオテクノロジー、Eu
r. J. Appl. Microbiol. Biotechnol.,10,125(198
0)〕ものであるが、細胞の種類、菌学的性質等の識別更
にはその機作等に関しては全然未解明であった。
上記に鑑み本発明者らは更に鋭意研究の結果、細胞と作
用電極との接触で得られる電流は、主として、細胞の細
胞壁中に存在する補酵素A乃至類似物等の活性物質と電
極間の電子の授受によるものであること、及び、所謂サ
イクリックボルタメトリを始めとして、微分パルスボル
タメトリ、微分パルスポーラログラフ、位相差弁別交流
ポーラログラフ或いは矩形波ポーラログラフ等々の手法
に準じて細胞に走査電位を印加し、生起する電流値又は
微分電流値を測定すれば極めて高精度に細胞の種類が識
別され得ることを知見した。
更に、微分パルスボルタメトリ、微分パルスポーラログ
ラフ、位相差弁別交流ポーラログラフ或いは矩形波ポー
ラログラフ等々の手法に準じて、細胞に漸増走査電位と
これに重畳された適切な微小電位とを印加し、4,4′
−ビピリジンにより増強されて生起する微分電流値を測
定すれば極めて高精度に細胞の種類が識別され得ること
を知見した。
すなわち、上記方法により得られる電流−電位曲線(ボ
ルタモグラム、Voltammogram)又は微分電流−電位曲線
(微分パルスボルタモグラム)、乃至電流値又は微分電
流値の極値を与える電位値(ピーク電位値)、或いは曲
線パターン等は、細胞の種類に応じて相互に相違するの
で、これにより各細胞(微生物)相互の弁別、固定が極
めて明瞭に達成され得るものとなる。なお、上記のピー
ク電位値は、各種ポーラログラフの手法によれば半波電
位値として求められるものである。
特に、本発明の識別方法においては、メンブラン・フィ
ルタ等の支持体上に細胞等を高密度に集積させ、作用電
極に接触させれば、増強された電流値又は微分電流値が
観測されるので、例えば、測定対象が細胞希薄懸濁液等
の場合も、これをフィルタ処理して支持体(濾材)上に
集積させて測定することにより、明瞭判明な識別方法を
提供するものである。
〔課題を解決するための手段〕
従って、本発明は、 作用電極及び対向電極を浸漬した液体中で、支持体に集
積された細胞又は細胞壁片と前記作用電極とを接触さ
せ、前記作用電極に走査電位を印加し、走査電位の印加
により生起する電流値又は微分電流値を測定する工程を
含むことを特徴とする細胞の電気化学的識別方法に関す
る。
以下、本発明の構成等について、より詳細に分説する。
測定乃至制御対象 細菌類、放線菌、カビ類、微細藻類、酵母類等の各種微
生物、赤血球、白血球、腫瘍細胞及び培養動植物細胞等
々の各種動植物細胞など、殆ど全ての細胞が識別乃至制
御対象となり得る。
又、本発明方法においては、生細胞をそのまま用いるの
みでなく、例えば、生細胞を超音波破壊処理して得られ
る溶出液を放出した細胞、主に細胞壁を用いてもよい。
細胞の識別乃至判定 ボルタメトリ等によって、作用電極に走査電位を印加
し、走査電位の印加により生起する電流値又は微分電流
値を測定することにより得られる、細胞−電極間のピー
ク電位値或いは電流−電位曲線又は微分電流−電位曲線
の形状は、測定に用いられる細胞の細胞壁或いは細胞膜
の特性に起因するものである。
例えば後記各実施例に示す通り、バチルス・スブチリス
(Bacillus subtilis)、ラクトバチリス・ファーメン
タム(Lactobachillus fermentum)、ストレプトコッカ
ス・サンギス(Streptococcus sanguis)及びスタフィ
ロコッカス・エピデルミディス(Staphylococcusepider
midis)のようなグラム陽性菌に於けるピーク電位値、
電流−電位曲線又は微分電流−電位曲線と、上記グラム
陽性菌よりも複雑な細胞壁構造を有する大腸菌(Escher
ichia coli)及びサルモネラ・チィフィムリウム(Salm
onellatyphymurium)のようなグラム陰性菌に於けるピ
ーク電位値、電流−電位曲線又は微分電流−電位曲線と
の間には明確な差異が見られる。
従って、本発明方法に依れば、多種多様の細胞の識別、
例えば、各種細胞の菌学的弁別、同定、具体的には、グ
ラム陰陽性菌の分別、所謂エイムズ(Ames)テストに於け
る変異復帰又は非復帰菌株の弁別等々、適切な測定条件
を設定すれば極めて広範囲に亘る識別が可能となるもの
である。
測定諸条件及び適用分野 装置としては通常の各種ボルタメトリ用装置が使用され
得るものであるが、サイクリックボルタメトリ用装置の
1例につき模式説明図を示せば第1図の通りである。
すなわち、例示の装置は作用電極1、対向電極2及び飽
和塩化ナトリウム甘汞電極(以下SSCEという)、飽
和塩化カリウム甘汞電極(以下SCEという)等の参照
極3を具備する電解セル4、ポテンシオスタット5、線
型走査乃至掃引電源6及びXY記録計乃至シンクロスコ
ープ7より構成されている。
ここに於いて、作用電極1、対向電極2としては通常の
白金、金、銀、水銀、炭素等々の電極及びこれらを電導
性高分子等で被覆等の各種修飾電極が使用され得、又、
対向電極2の電位が安定不変である場合は参照電極3を
欠く通常のポーラログラフと同等の回路構成で足りる。
尚、電解セルに関しては、本発明の具体例としては、第
3図に示すとおり、測定対象である細胞(107)を保
持する支持体乃至フィルタ(108)を接触させた作用
電極(105)、これを支えるプラスチック等のケース
(109)、対向電極(104)及びガラスチューブで
仕切られた参照電極(106)をリン酸緩衝液中に浸し
て成る電極システムが例示される。
上記細胞保持用の支持体乃至フィルタとしては、各種合
成樹脂多孔質膜、例えば、東洋メンブランフィルタ(東
洋濾紙株式会社製)又はミリポアフィルタ(日本ミリポ
アリミテッド製)、或いは活性炭等の多孔質基材等を適
宜選択使用し得る。
測定は、支持体にメンブランフィルタを使用する場合
は、細胞の懸濁液をメンブランフィルタによりろ過し、
細胞をフィルタ上に保持させ、そのメンブランフィルタ
を作用電極1に接触させ、電極間に周期的走査(掃引)
電位を印加して生起する電流を測定することによりなさ
れるが、通常、その電位走査としては時間に比例して電
位を変化させる所謂線型走査(Linear Sweep)が好適に
採用される。
このようにして得られる電流−電位曲線は、後に詳述す
る通り細胞濃度に比例する極大電流値(ピーク電流値)
を与えるのみならず、細胞の種類により相違するピーク
電位値やその曲線形状等の特異性により、細菌等の微生
物の同定に充分な情報をも与えるものとなる。
従って、本発明方法によって細胞の種類を判別する場合
には、一連の標準細胞を担持した支持体について特定条
件下でそれぞれピーク電流値を与える電位値(ピーク電
位値)を求めておく。続いて、被検試料についても前記
と同じ特定条件下でピーク電位値を求め、ピーク電位値
が一致する標準細胞と対比することによって被検試料の
細胞の種類(特に、グラム陽性菌であるかグラム陰性菌
であるか)を判別することができる。
また、本発明方法により、細胞数を計測する場合には、
最初に一連の既知数の標準細胞を担持した支持体につい
て特定条件下でそれぞれピーク電流値を求め、各標準細
胞毎に検量線を作成する。続いて、被検試料についても
前記と同じ特定条件下でピーク電流値を求め、前記検量
線から被検試料の細胞数を求めることができる。
すなわち、従来技術と対比するとき本発明方法によれ
ば、細胞の識別に際し、応答時間ひいては測定時間の著
しい短縮が計られる。さらに、測定が走査電位によるた
め、電極反応に於ける撹乱的諸要因が排除され得るの
で、より精密且つ正確な測定が可能となり、並びに、細
胞濃度(数)のみならずその種類の同定も同時になされ
得る等々の実用上多大の利点が得られるものである。
従って、本発明は醗酵プロセスのリアル・タイム制御用
センサ、水質の微生物汚染度の測定、赤血球や白血球数
の測定等々、広汎な各分野に於けるセンサ手段として極
めて有用なものと云い得る。
他方、細胞識別に特に有用な微分パルスボルタメトリ用
装置の1例につき模式説明図を示せば第2図の通りであ
る。
すなわち、例示の装置は平面熱分解黒鉛(以下BPGと
いう)、高純度分光分析用カーボン(以下HPGとい
う)等の黒鉛、炭素、白金、金、銀、水銀等々より成る
作用電極11及び対向電極12とSSCE、SCE等の
参照電極13を具備するセル14、パルスシーケンサ1
5、ポテンシャルプログラマ16、ポテンシオスタット
17、ドロップノッカ18、電流−電圧コンバータ1
9、サンプル/ホルド(τ)110及び同(τ′)11
1、ディファレンシャルアンプリファイア112及びレ
コーダ113より構成され、公知のシステムで微分パル
ス電位を印加し記録するものである。
測定は、支持体にメンブランフィルタを使用する場合
は、細胞の懸濁液をメンブランフィルタによりろ過し、
細胞をフィルタ上に保持させ、そのメンブランフィルタ
をセル14中の作用電極11に接触させ、電極間に微小
電位の重畳された漸増走査(掃引)電位を印加して、生
起する微分電流を測定することによりなされるが、通
常、その電位走査としては時間に比例して電位を変化さ
せる所謂線型走査(Linear Sweep)が好適に採用され
る。
走査電位に重畳される微小電位としては、前述の通り、
微分電流値を与え得る適切な波形及び周期を有するもの
が適宜選択使用され得る。
このようにして得られる微分電流−電位曲線は、細胞の
種類によって相違する明瞭なピーク電位値を与え、これ
によりそれらの識別を可能とするのみならず、そのピー
ク波形の解析により細菌等の微生物の電気化学的活性に
関する情報をも与えるものとなる。
すなわち、従来技術と対比するとき本発明方法に依れ
ば、各種細菌等の識別、同定が極めて短時間且つ容易に
達成されるものである。
ここで、本発明方法においては、細胞−電極間の電子伝
達の重要な賦活剤である4,4′−ビピリジン(以下B
Pという)を使用してもよく、その使用条件について要
約して示せば次の通りである。
すなわち、本発明に於いてBPは、緩衝液中に直接添加
されるか、或いは、ニトロセルロース膜等に固定されて
電極に接触されることにより細胞−電極間反応に関与す
るものとなる。
尚、緩衝液中に於けるBPの濃度は、対象細胞の種類に
よって変動するものであるが、一般には数mM〜100
mM程度が好ましい。
後記実施例にも示す通り、本発明の方法に於いてBP共
存下で走査電位を印加し、走査電位の印加により生起す
る電流値又は微分電流値を測定することにより、各種細
胞のピーク電流値の1.5〜2.5倍程度の増強及び波
形の鮮明化、微分電流値のピークの先鋭化がもたらされ
るものとなる。
尚、高精度の測定が必要でないときは、賦活剤は省略で
きる。
電流生成のメカニズム 細胞−電極間の電子授受は補酵素Aの存在と密接な関係
を持つと考えられる。したがって、ピーク電流値は代謝
経路と関係していることが推定される。
そこでサッカロミセス・セレビシエ (Saccharomyces cerevisiae)の懸濁液(2.4×10
個/ml)に代謝阻害剤であるロテノン(7.6m
M)、アンティマイシン(5.7mM)、青酸塩(1
0.8mM)、亜ヒ酸塩(10.0mM)を各々添加
し、走査電位を印加して生起する電流値を測定した。
その結果、ロテノン、アンティマイシン及び青酸塩の添
加によってはピーク電流値は減少しなかった。一方、亜
ヒ酸塩の添加によって4.8μAから3.7μAの減少
が観察された。
ロテノンは、NADHデヒドロゲナーゼに於ける電子授
受を特異的に阻害し、アンティマイシンはチトクロム
b、チトクロムc間の電子の移動を阻害し、青酸塩はチ
トクロムオキシダーゼとOとの間の電子の移動を阻害
する。一方、亜ヒ酸塩はピルビン酸デヒドロゲナーゼを
阻害することが知られている。
従って、ピーク電流の生成は、ピルビン酸デヒドロゲナ
ーゼとクエン酸回路に関係していることが推定された。
また後記試験例に示すように、細胞壁に存在する化合物
を超音波処理することにより得られた、超音波処理細胞
乃至細胞壁及びその溶出液のピーク電流値を測定した。
その結果、該細胞乃至細胞壁からのピーク電流値(ピー
ク電位値:0.74V vs. SSCE)は減少した
が、溶出液のピーク電流値(ピーク電位値:0.65V
vs. SSCE)は次第に増加した。
超音波処理によって細胞の数が影響されることはないの
で、上記の結果は、細胞壁中の電気化学的に活性な物質
が超音波処理によって溶出し、電気化学的に検出された
ことを示す。
溶出液の波長260nmに於ける吸収はアデニン環と関
連を有し、細胞懸濁液を超音波処理するとピーク電流値
と共に増大する。
アデニン環を持つ補酵素であるNADH、NADPH、
FMNH、FADH、及び補酵素Aは電気化学的に
酸化され得るが、NADHとNADPHに相当する波長
340nmに於ける吸収及びFMNH、FADH
相当する波長445〜450nmに於ける吸収は、溶出
液より得られなかった。
さらに、炭素電極における、NADHとNADPHの半
波電位値(本発明のピーク電位値)は、0.35〜0.
75V vs. SCEの範囲であった。FMNH
FADHは、−0.4V vs. SCEに於いて電
気化学的に酸化されることが報告されている。
又、BPG電極を用いてNADH及び補酵素Aの電流−
電位曲線を得たところ、NADHのピーク電流値は0.
35V vs.SSCEであったのに対し、補酵素Aの
ピーク電流値は0.65V vs. SSCEに於いて
各々観察された。
以上から、補酵素Aのピーク電位値は、超音波処理した
細胞からのそれと類似していることがわかった。
次に、溶出液中の補酵素Aをスタッドマン等による方法
〔E. R. Stadtman et al.,ジャーナル オブ バイオロ
ジカル ケミストリー、J. Biol.Chem.,191 367(195
1)〕で酵素学的に定量したところ、3.6mMの補酵素
Aが検出された。
細胞を超音波処理すると補酵素Aの濃度は、溶出液のピ
ーク電流値の増大と共に増大するので、溶出液から得ら
れるピーク電流値の増大は、緩衝液中の補酵素Aの濃度
の増大に因ることが推定される。
換言すれば、細胞中の電極活性物質である補酵素Aが電
極と接触し、酸化されて電流が流れやすくなり、酸化波
(陽極波 anodic wave)のピーク電流値が現れるものと
考えられる。
一方、細胞壁に存在する補酵素Aは、緩衝液中に溶出す
るので、細胞乃至細胞壁より得られるピーク電流値は減
少した。
上記の結果は、細胞壁中に存在する補酵素Aは、細胞−
炭素電極間の電子授受を仲介することを示す。溶出液よ
り得られるピーク電位値は、補酵素Aのピーク電位値と
類似しており、細胞全体より得られるそれとは相違して
いる。
ピーク電位値は、pHにより決まり、したがって上記の
現象は、緩衝液と細胞壁に於ける補酵素Aを取り巻く環
境との間でのpHの差異に基づくものであると推定され
る。
試験例 1.グルコース4g、ポリペプトン1g、KHPO
0.5g、MgSO・7HO 0.2gを含有す
る培地100ml(pH7.0)にサッカロミセス・セ
レビシエ(Saccharomycescerevisiae)を、30℃で1
8時間好気的条件下で培養した後、5℃、8000×g
で遠心分離に付し菌体を採集した。
採集した菌体を、0.1Mリン酸緩衝液(pH7.0)
で2度洗浄し、これを0.1Mリン酸緩衝液(pH7.
0)10mlに懸濁し(細胞濃度:9×10個/m
l)通気した。
次に、上記培養菌体を30分間超音波処理し、5℃、8
000×gで遠心分離に付し、溶出液を得、超音波処理
細胞壁は集めて緩衝液に再度懸濁させた。この細胞壁及
びその溶出液を試料として用いた。
電解セル(容量約25ml)、ポテンシオスタット(北
斗電工株式会社製 Model HA301)、線型走
査電源(北斗電工株式会社製 Model HB10
4)、及びXY記録計(理研電子 F35)を第1図の
通りに回路構成し、これをサイクリックボルタメトリ用
装置として使用した。尚、電解セルを構成する作用電極
はBPG電極であり、対向電極として白金線電極、参照
電極としてはSSCEを用いた。
上記サイクリックボルタメトリ用装置の電解セルに前記
各試料を注入し、25±2℃の条件下サイクリックボル
タモグラムを得、各試料のピーク電流値を経時的に測定
した。
結果を第4図〔縦軸:ピーク電流値(μA);横軸:時
間(分)〕に示す。
図中、曲線aは溶出液の、曲線bは細胞壁の、各値であ
る。
図から明らかなように、電気化学的活性物質は細胞内に
存在し、超音波処理により容易に溶出可能なものと認め
られる。尚、ピーク電位は破壊されていない細胞(Whol
e Cell)では0.74V vs.SSCEであり、溶出
液では0.65V vs.SSCEである。
2.次にスタッドマン等の方法により溶出液中の活性物
質を検定したところ、補酵素A乃至その類似物質である
ことが確認されたので、別途準備した3.7mMの補酵
素Aを用いて前記と同様にサイクリックボルタメトリを
行ったところ、そのピーク電位としては前記の溶出液と
同じ値である0.65V vs. SSCEの値が得ら
れた。
これらのことから、菌体中の補酵素Aがピーク電流に影
響していることがわかる。
〔実施例〕
以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明する
が、これらは本発明を限定するものではない。
実施例1 第3図は、本発明の細胞識別に用いる電極システムの一
例を示すものである。
この電極システムは、測定対象である細胞(107)を
支持する為の支持体であるメンブランフィルタ(10
8)を装着した表面積0.17cm2のBPG製作用電極
(105)、白金線よりなる対向電極(104)、SC
E参照電極(106)、ポテンシオスタット(北斗電工
株式会社製 Model HA301)(102)、線
型走査電源(北斗電工株式会社製 Model HB1
04)(101)、及びXY記録計(理研電子 F3
5)(103)より成る。特に指定されている場合を除
き、電極はアルミナの水懸濁液を浸み込ませたつや出し
布で磨いた。
上記3電極を有し、隔膜(110)で隔てたガラス製の
電解セルを用い、参照電極(106)は、先端が電解液
の通過できるポーラスな焼結ガラスのフリット(106
a)で主要部と結合されたガラスチューブに浸すことに
よってセルの主要部から隔離されている。
大腸菌(Escherichia coli)を寒天培地で37℃で12
時間培養した後、0.1Mリン酸緩衝液(pH7.0)
に懸濁させた。メンブランフィルタ(東洋メンブランフ
ィルタ TM−2タイプ、ニトロセルロース、孔径0.
45μm、径25mm)の上に上述の培養細胞の懸濁液
5mlをわずかに吸引しながら落とした。
次に、このメンブランフィルタの細胞付着側を炭素電極
表面に接触させ培養細胞が炭素電極と接触するようにし
た。電極システムをリン酸緩衝液中に挿入し25±2℃
でサイクリックボルタモグラムを得た。
第5図は0〜1.0V vs.SCEの電位に於けるサ
イクリックボルタモグラムを示す〔縦軸:電流値(μ
A);横軸:電位(V vs.SCE)〕。
プラス方向への最初の走査に於いて0.72V vs.
SCEで陽極波のピーク電流値が現れた。逆の走査の
際、それに対応するような減少ピークは見られなかっ
た。
従って、細胞の電極反応は不可逆的なものである。
この実施例の場合は、0.1〜1.9×10個/mlの
範囲でのピーク電流値は、メンブランフィルタ上の細胞
数に比例していた。
この結果は、メンブランフィルタ上の大腸菌(Escheric
hia coli)の細胞数が、サイクリックボルタメトリのピ
ーク電流値から求められることを意味する。検出可能な
最小限度の大腸菌(Escherichia coli)の細胞数は5×
10個/ml(懸濁液換算)である。
実施例2 実施例1と同様の電極システムを用い、バチルス・スブ
チリス(Bacillus subtilis ;グラム陽性)、ラクトバ
チリス・ファーメンタム(Lactobachillus fermentum;
グラム陽性)、ストレプトコッカス・サンギス(Strept
ococcussanguis ;グラム陽性)、スタフィロコッカス
・エピデルミディス(Staphylococcusepidermidis;グ
ラム陽性)、大腸菌(Escherichia coli;グラム陰
性)、サルモネラ・チィフィムリウム(Salmonella typ
hymurium;グラム陰性)各々を前例と同様のメンブラン
フィルタ上に6×10個保持し、それぞれのサイクリ
ックボルタメトリによるピーク電流値の現れる電位を測
定した。結果は下記第1表に示す通りである。
バチルス・スブチリス(Bacillus subtilis )、ラクト
バチリス・ファーメンタム(Lactobachillus fermentu
m)、ストレプトコッカス・サンギス(Streptococcus s
anguis )、スタフィロコッカス・エピデルミディス(S
taphylococcus epidermidis)の様なグラム陽性菌の細
胞膜は、ペプチドグリカン及びディコイル酸より成る細
胞壁(代表的なもので、厚さ約250Å)に囲まれてい
る。大腸菌(Escherichiacoli)及びサルモネラ・チィ
フィムリウム(Salmonella typhymurium)の様なグラム
陰性菌の細胞壁及び細胞膜の構造はより複雑であり、細
胞膜は厚さ約30Åのペプチドグリカンの壁に取り囲ま
れ、その壁はさらにその外側が厚さ約80Åのタンパク
質、脂質及びリポポリサッカライドのモザイクの膜で覆
われている。
上記の結果は、サイクリックボルタメトリのピーク電位
値には細胞壁の構造が影響することを示している。
すなわち、より複雑な膜で被覆されているグラム陰性菌
のピーク電流は、グラム陽性菌のそれよりもプラス側の
電位に於いて現れた。
実施例3 グラム陽性菌であるバチルス・スブチリス(Bacillus s
ubtilis )IFO3009を栄養培地(Nutrient Brot
h、牛肉エキス1%、ペプトン1%)の中で培養し、対
数期に集菌し、0.1M リン酸緩衝液(pH7.0)
で洗浄後、同緩衝液に懸濁し細胞懸濁液(1.2×10
個/ml)を調製した。
同様にして、グラム陽性菌であるサッカロミセス・セレ
ビシエ(Saccharomyces cerevisiae、YRD培地:酵母
エキス1%、ポリペプトン2%、グルコース2%)、グ
ラム陽性菌であるラクトバチリス・ファーメンタム(La
ctobachillus fermentum)IFO3071(栄養培
地)、グラム陽性菌であるロイコノストック・メセンテ
ロイデス(Leuconostoc mesenteroides )IFO383
2(トマトジュース培地:トリプトン1%、酵母エキス
1%、トマトジュース20%)及びグラム陰性菌である
大腸菌(Escherichia coli、栄養培地)をそれぞれ培養
し、対数期に集菌し、前記緩衝液に懸濁して生菌数濃度
1.03×10、5.0×10、1.3×10
び1.0×1010個/mlの各懸濁液を調製した。
次にこれら細胞各懸濁液を、前例と同様のメンブランフ
ィルタ上に各5mlわずかに吸引しながら落とし、その
表面にこのメンブランフィルタを取りつけた作用電極B
PG、対向電極白金線及び参照電極SSCEを用いて、
走査電位0〜1.0V vs.SSCE、サンプリング
・タイム20ミリ秒、変調電圧50mV及び100m
V、電位単掃引0.5mV/秒、測定温度25℃の条件
下、微分パルスボルタメトリを実施した。尚、装置は扶
桑製作所製「ポーラログラフ312型」を使用した。
第6図はバチルス・スブチリス(Bacillus subtilis)
の微分パルスボルタモグラムであり、0.68V vs
SSCEに極めて明瞭なピーク電位が認められる(図
中、符号(a)及び(b)は変調電圧100mV、50mVに
それぞれ対応する)。
各細菌のピーク電位値を下記第2表に要約して示す。
同表からも明らかなように、本発明方法に依れば細菌相
互の識別が微分パルスボルタメトリで極めて明瞭且つ容
易になされ得るものであり、特にグラム陰性菌である大
腸菌(Escherichia coli)とその余の各グラム陽性菌と
が明瞭に区別され得ることは注目に値するものである。
実施例4 1.微生物 サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisi
ae)は、グルコース4g、ポリペプトン1g、KH
0.5g、MgSO・7HO 0.2gを含
む100mlの培値(pH7.0)に好気的に30℃1
2時間培養した。
サルモネラ・チィフィムリウム(Salmonella typhymuri
um)TA100は、1gのポリペプトン及び肉エキスを
含む100mlの培地で好気的に30℃15時間培養し
た。
大腸菌(Escherichia coli)K12は、グルコース0.
1g、バクトートリプトン1g、酵母エキス0.5g、
及びNaCl5gを含む100mlの培地(pH7.
0)に好気的に30℃12時間培養した。
ラクトバチリス・ファーメンタム (Lactobachillus f
ermentum)ATCC9338は、トリプチケース1g、
トリプトース0.3g、酵母エキス0.5g、KH
0.3g、KHPO 0.3g、クエン酸ア
ンモニウム0.2g、グルコース2g、ツィーン80
(登録商標)0.1g、システイン塩酸塩0.02g、
及び0.5mlの溶液(MgSO・7HO 11.
5%、FeSO・7HO 0.68%、MnSO
・2HO 2.4%含有)を含む100mlの培地
(pH6.8)で嫌気的に37℃16時間培養した。
バチルス・スブチリス(Bacillus subtilis )MI11
2は、KHPO 1.4g、KHPO 0.6
g、(NHSO 0.2g、クエン酸ナトリウ
ム0.1g、カザミノ酸0.5g、グルコース0.5
g、及びMgSO・7HO 0.02gを含む10
0mlの培地(pH7.0)で好気的に30℃15時間
培養した。2.4,4′−ビピリジン修飾電極 4,4′−ビピリジン1.56gを100mlのメタノ
ールに溶かし、溶液の濃度を100mMとした。0.3
μmの粒径のアルミナ水懸濁液を浸み込ませたつや出し
布であらかじめ磨いておいたBPG電極(0.17c
m2)を上記溶液に浸し、1分間ゆっくりと揺り動かし
た。
上記の様にしてBPG電極を操作前に毎回磨き、その都
度4,4′−ビピリジンによる修飾も行った。
3.測定方法 ポテンシオスタット(北斗電工株式会社製 Model
HA301)、線型走査電源(北斗電工株式会社製
Model HB104)、及びXY記録計(理研電子
F35)を用い4,4′−ビピリジン修飾炭素電極を
用いてサイクリックボルタメトリを実施した。
サイクリックボルタメトリの電解セルは、容積25ml
程度のガラス製セルであり、対向電極は白金線、参照電
極はSCEである。参照電極は先端が焼結ガラスのフリ
ットで主要部と結合しているガラスチューブに浸すこと
によって電解セルの主要部から隔離されている。
メンブランフィルタ(東洋メンブランフィルタ TM−
2タイプ、ニトロセルロース、孔径0.45μm、径2
5mm)上に測定対象である各種細胞を1.1×10
個保持し、このメンブランフィルタを前記4,4′−ビ
ピリジン修飾炭素電極に取り付け、菌体を電極に接触さ
せた。
さらに、測定は、扶桑製作所製「ポーラログラフ312
型」及びXY記録計を用い、サイクリックボルタモグラ
ムと同様の条件で、微分パルスボルタメトリについても
行い、微分パルスボルタモグラムを得た。
第7図はpH7.0に於けるサッカロミセス・セレビシ
エ(Saccharomyces cerevisiae)に関するサイクリック
ボルタモグラム及び微分パルスボルタモグラムを示す。
図中(A)はサイクリックボルタモグラム、(B)は微
分パルスボルタモグラムを示し、(a)は4,4′−ビピ
リジン修飾電極に関し、(b)は4,4′−ビピリジン修
飾をしていない電極に関するものである。また、電流値
の大きさを矢印の幅とその幅に相当する電流値によって
示す。
測定は25±2℃で行った。サイクリックボルタモグラ
ムは、走査速度10mV/秒に於いて、微分パルスボル
タモグラムは、走査速度10mV/秒、波高100mV
及びパルス幅20m秒で得られた。
プラス方向への最初の走査に際し、修飾電極、非修飾電
極共0.74V vs. SCEに於いて陽極波が観察
された。サイクリックボルタモグラムのピーク電位値と
微分パルスボルタモグラムのそれは一致している。
4,4′−ビピリジン修飾電極より得られたピーク電流
値は、非修飾電極より得られたピーク電流値よりも高か
った。細胞が不在の場合、ピーク電流は生成しなかっ
た。
従って、4,4′−ビピリジン修飾によって電極が賦活
されることがわかる。
前記各種微生物試料についてピーク電位を測定したとこ
ろ、大腸菌(Escherichia coli)0.72V vs S
CE、サルモネラ・チィフィムリウム(Salmonella typ
hymurium)0.70V vs.SCE、バチルス・スブ
チリス(Bacillus subtilis)0.68V vs.SC
E、ラクトバチリス・ファーメンタム (Lactobachill
us fermentum)0.68V vs.SCEであった。
実施例5 バチルス・スブチリス(Bacillus subtilis)MI11
2(Arg−15、leu B8 thi5 r
rec E4、以下本実施例ではプラスミド無しとい
う)は、スピッツェン培地(Spizizen Medium) 100m
lに、又、バチルス・スブチリス(Bacillus subtili
s)MI112(プラスミドPTL12含有、以下本実
施例ではプラスミド有りという)は、1μg/mlのト
リメトプリム(trimethoprim)を含んだスピッツェン培地
(Spizizen Medium) 100mlに、各々植菌し、37
℃、12時間好気的に培養した。集菌後、0.1Mリン
酸緩衝液(pH7.0)で洗浄し、懸濁させて菌体をB
PG電極表面にメンブランフィルタを用いて接触させ
た。
測定は、電解セルに20mlH型セルを用い、作用極に
はBPG(0.17cm2)、対向電極には白金線、参照
電極にはSCEを用いサイクリックボルタメトリにより
電気化学的挙動を測定し、サイクリックボルタモグラム
を求めた。電位走査速度は10mV/秒に設定し、測定
は25℃で行った。
プラスミド無しとプラスミド有りのサイクリックボルタ
モグラムを求めた結果、下記第3表のように各細胞にお
いてピーク電流の発生するピーク電位が得られた。
このことは、プラスミド有りの細胞も同様に測定出来る
ことを示している。
実施例6 ラクトバチリス・ファーメンタム(Lactobachillus fer
mentum)、スタフィロコッカス・エピデルミディス(St
aphylococcus epidermidis)、ストレプトコッカス・サ
ンギス(Streptococcus sanguis )、大腸菌(Escheric
hia coli)、サルモネラ・チィフィムリウム(Salmonel
la typhymurium)、プロテウス・ブルガリス(Proteus
vulgaris)をロゴサ(Rogosa)培地で37℃、16時間、
好気的に静置培養した。
各々のコロニーを適量かき取り、0.1Mリン酸緩衝液
(pH7.0)に懸濁させ、これをメンブランフィルタ
上に滴下し、菌体をフィルタ上に集菌し、BPG電極表
面(0.17cm2)に接触させて作用極とした。対向電
極には白金線、参照電極にはSCEを用い、電解セルに
0.1Mリン酸緩衝液(pH7.0)10mlの入った
H型セルを用い、サイクリックボルタメトリにより電気
化学的挙動を測定し、サイクリックボルタモグラムを求
めた。
各試料についてのピーク電位の測定結果を下記第4表に
示す。
この結果より、細胞数が同一でなくても、一定の範囲で
あれば固有のピーク電位を示すことがわかる。
実施例7 バチルス・スブチリス(Bacillus subtilis )IFO3
009、サッカロミセス・セレビシエ(Saccharomyces
cerevisiae)、ラクトバチリス・ファーメンタム(Lact
obachillus fermentum)IFO3071、ロイコノスト
ック・メセンテロイデス(Leuconostoc mesenteroides
)IFO3832、及び、大腸菌(Escherichia col
i)を夫々前記実施例2と同様の条件で培養し、対数期
に集菌し、生菌数1.3×10個/フィルタの各試料
を調製した。
次に、フィルタ上に保持したこれらの各試料につき、前
記実施例4で用いた4,4′−ビピリジン修飾BPG電
極を使用し、実施例3と同様の条件下、微分パルスボル
タメトリを実施した。
各試料のピーク電位値を第5表に要約して示す。
同表からも明らかなように、本発明方法に依れば、細胞
相互の識別が極めて明瞭かつ容易になされ得るものであ
る。
実施例8 12時間好気的に培養したサッカロミセス・セレビシエ
(Saccharomyces cerevisiae)を集菌後、0.1Mリン
酸緩衝溶液(pH7.0)に懸濁させ、菌体を単層にな
るように、メンブランフィルタ上に固定化した後、この
菌体をBPG電極表面に接触させた。
電解セル(25mlH型)に0.1Mリン酸緩衝液(pH
7.0)を入れ、作用極にはBPG、対向電極には白金
線、参照電極にはSCEを用いて、サイクリックボルタ
メトリにより電位走査を行ったところ、0.74V v
s.SCE付近に特異的な電流のピークが得られた。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明で使用するサイクリックボルタメトリ用
装置の模式的説明図であり、第2図は本発明で使用する
微分パルスボルタメトリ用装置の模式的説明図であり、
第3図は細胞識別に用いる電極システムの一例の模式的
説明図であり、第4図はピーク電位値の経時変化を示す
グラフであり、第5図は大腸菌(Echerichia coli)の
サイクリックボルタモグラムであり、第6図はバチルス
・スブチリス(Bacillus subtilis)の微分パルスボル
タモグラムであり、第7図はサッカロミセス・セレビシ
エ(Saccharomyces cerevisiae)のサイクリックボルタ
モグラム(A)及び微分パルスボルタモグラム(B)で
ある。 4……電解セル、5……ポテンシオスタット、 6……リニア・スイーブ電源、 7……XY記録計乃至シンクロスコーブ、 11……作用電極、12……対向電極、 14……電解セル、 15……パルスシーケンサ、 17……ポテンシオスタット、 112……ディファレンスアンプリフィア及び 113……レコーダ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】作用電極及び対向電極を浸漬した溶液中
    で、支持体に集積させた細胞又は細胞壁片と前記作用電
    極とを接触させ、前記作用電極に走査電位を印加し、走
    査電位の印加により生起する電流値又は微分電流値の最
    大値あるいは前記電流値又は微分電流値を最大とする走
    査電位を測定する工程を含むことを特徴とする細胞の電
    気化学的識別方法。
  2. 【請求項2】作用電極及び対向電極を浸漬した溶液中
    で、支持体に集積させた細胞又は細胞壁片と前記作用電
    極とを接触させ、前記作用電極に走査電位を印加し、走
    査電位の印加により生起する電流値又は微分電流値を最
    大とする走査電位を測定し、予め測定しておいた標準細
    胞の相当する走査電位と対比する工程を含むことを特徴
    とする細胞の電気化学的判別方法。
  3. 【請求項3】作用電極及び対向電極を浸漬した溶液中
    で、支持体に集積させた細胞又は細胞壁片と前記作用電
    極とを接触させ、前記作用電極に走査電位を印加し、走
    査電位の印加により生起する電流値又は微分電流値の最
    大値を測定し、予め測定しておいた前記電流値又は微分
    電流値の最大値と細胞数との相関関係と対比する工程を
    含むことを特徴とする細胞の電気化学的計数方法。
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