[論文レビュー] The kinetics of inactivation of spheroidal microbial cells by pulsed electric fields

Nikolaï Lebovka, Eugène Vorobiev|ArXiv.org|Apr 20, 2007

Microbial Inactivation Methods参考文献 53被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、パルス電界（PEF）下での球形微生物細胞の非指数的不活化動態を説明する理論的モデルを提案し、懸濁液内の配向不規則性が一次反応速度に従わない偏差を引き起こすものと特定している。モデルは、長軸が長い回転楕円体が不規則な懸濁液において、低い電界強度または高いアスペクト比の条件下で顕著な非指数的挙動を示すことを示しており、部分的な整列が電界強度と秩序パラメータの増加に伴い不活化効率を向上させることを明らかにしている。これにより、PEF誘発による細胞再配向が微生物不活化ダイナミクスに果たす役割が強調される。

ABSTRACT

The nature of non-exponential kinetics in microbial cells inactivation by pulsed electric fields (PEF) is discussed. It was demonstrated that possible mechanism of non-exponential kinetics can be related to orientational disorder in suspension of microbial cells of anisotropic form. A numerical studies of spheroidal cell suspensions was carried out. The most pronounced deviations from the exponential kinetics were observed for disordered suspensions of prolate spheroids at small electric field strength $E$ or at large aspect ratio $a$. For partially oriented suspensions, efficiency of inactivation enhances with increasing of order parameter and field strength. A possibility of the PEF-induced orientational ordering in microbial suspensions is discussed.

研究の動機と目的

• パルス電界（PEF）にさらされた微生物細胞における非指数的不活化動態の起源を説明すること。
• 特に長軸が長い楕円体である細胞形状と、それらの配向分布が不活化ダイナミクスに与える影響を調査すること。
• PEF誘発再配向が微生物懸濁液の生存曲線に与える影響をモデル化すること。
• 電界強度とアスペクト比が不活化効率をどのように調整するかを定量化すること。

提案手法

• 楕円体幾何学と外部電界の向きを用いた、楕円体細胞における膜透過電位分布の理論的モデリング。
• ワイブル分布モデルを用いた生存割合の数値シミュレーション：$ S(t,E) = \exp\left( - (t/\tau(E))^{n(E)} \right) $、ここで $ \tau(E) $ と $ n(E) $ は電界依存パラメータ。
• 秩序パラメータ $ Q $ を用いた配向ダイナミクスの組み込み、電界内での整列度を表す。
• 長軸楕円体に対する回転拡散理論を用いて、回転緩和時間 $ \tau_x $ と整列時間 $ \tau_o $ の計算。
• ランジュバン関数と電界依存ポテンシャルを用いて、電界下での整列をモデル化。
• さまざまな電界強度とアスペクト比における、不規則なおよび部分的に整列した懸濁液における不活化動態のシミュレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜPEF下での微生物不活化動態は一次反応（指数的）挙動から逸脱するのか？
• RQ2 アスペクト比が不規則な懸濁液における長軸楕円体の非指数的不活化動態にどのように影響するか？
• RQ3 部分的に整列した懸濁液において、PEF誘発細胞再配向が不活化効率に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ4 PEF処理中の細胞再配向の時間スケールと電界強度の関係は何か？
• RQ5 細胞サイズと凝集状態は、PEF誘発再配向および不活化効果にどのように影響を及けるか？

主な発見

• 非指数的不活化動態は、長軸楕円体が不規則な懸濁液において、低い電界強度または高いアスペクト比の条件下で顕著に現れる。
• 秩序パラメータ $ Q $ は電界強度に伴い増加し、より高い $ Q $ 値は不活化効率の向上と相関する。
• E. coliに類似した細胞（R ≈ 0.64 μm, a ≈ 2）では、10 kV/cmで再配向時間 $ \tau_o \approx 10^{-5} $ s であり、通常のPEFパルス期間中に効果的な整列が達成される。
• 大きな細胞（R ≈ 5.0 μm）ははるかに遅い再配向を示す（$ \tau_x \approx 10^2 - 10^3 $ s）、PEF誘発整列効果が制限される。
• 回転緩和時間 $ \tau_x $ はアスペクト比の増加に伴い、長軸方向の回転拡散において顕著に増加し、E. coliでは約1秒に達する。
• 凝集体はPEF誘発再配向を抑制し、大規模細胞または凝集体を含む懸濁液ではその寄与が不活化動態に減少する。