[논문 리뷰] The kinetics of inactivation of spheroidal microbial cells by pulsed electric fields

Nikolaï Lebovka, Eugène Vorobiev|ArXiv.org|2007. 04. 20.

Microbial Inactivation Methods참고 문헌 53인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 펄스 전기장(PFE) 하에서 구형 미생물 세포의 비지수적 비활성화 동역학을 설명하는 이론적 모델을 제안한다. 이는 분산 상에서의 정렬 불량이 일阶 반응 kinetic에서의 편차를 유발한다고 설명한다. 모델은 낮은 전기장 강도 또는 높은 축비를 가진 긴 타원체에서 비지수적 행동이 두드러지게 나타나며, 부분적인 정렬이 전기장 강도와 질서 파라미터 증가에 따라 비활성화 효율을 향상시킴을 보여준다. 이는 PFE 유도 정렬이 미생물 비활성화 동역학에서 중요한 역할을 함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 펄스 전기장(PFE)에 노출된 미생물 세포에서 비지수적 비활성화 동역학의 기원을 설명하기 위해.
• 특히 긴 타원체인 세포 형태와 그 정렬 분포가 비활성화 동역학에 미치는 영향를 조사하기 위해.
• 미생물 분산액에서 PFE 유도 정렬이 생존 곡선에 미치는 영향을 모델링하기 위해.
• 전기장 강도와 축비가 비활성화 효율을 조절하는 데 기여하는 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 타원체 기하학과 외부 전기장 방향을 고려한 타원체 세포의 막 전위 분포 이론적 모델링.
• 웨이불 분포 모델을 사용한 생존율 동역학의 수치 시뮬레이션: $ S(t,E) = \exp\left( - (t/\tau(E))^{n(E)} \right) $, 여기서 $ \tau(E) $ 및 $ n(E) $ 는 전기장에 따라 변하는 매개변수.
• 질서 파라미터 $ Q $ 를 통한 정렬 역학 통합; 전기장 내 정렬 정도를 나타냄.
• 긴 타원체에 대해 회전 확산 이론을 사용해 회전 리ラ크스 시간 $ \tau_x $ 와 정렬 시간 $ \tau_o $ 계산.
• 전기장에 따라 변화하는 잠재력과 랭지에브 함수를 사용해 전기장 하에서의 정렬 모델링.
• 다양한 전기장 강도와 축비에서 정렬 불량 및 부분적으로 정렬된 분산액의 비활성화 동역학 시뮬레이션.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 펄스 전기장 하에서의 미생물 비활성화 동역학이 일阶 반응(지수적) 행동에서 벗어나는가?
• RQ2 정렬 불량 분산액에서 타원체 세포의 축비가 비지수적 비활성화 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 부분적으로 정렬된 분산액에서 PFE 유도 세포 재정렬이 비활성화 효율에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 PEF 처리 중 세포 재정렬의 시간 스케일과 전기장 강도 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ5 세포 크기와 군집 상태는 PFE 유도 정렬과 비활성화 효과에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비지수적 비활성화 동역학은 낮은 전기장 강도 또는 높은 축비에서 정렬 불량 분산액의 긴 타원체에서 가장 두드러지게 나타난다.
• 질서 파라미터 $ Q $ 는 전기장 강도 증가에 따라 증가하며, 높은 $ Q $ 값은 비활성화 효율 향상과 관련이 있다.
• E. coli 유사 세포(반지름 R ≈ 0.64 μm, 축비 a ≈ 2)의 경우 10 kV/cm에서 재정렬 시간 $ \tau_o \approx 10^{-5} $ s 로 계산되어 일반적인 PFE 펄스 기간 동안 효과적인 정렬이 가능함을 시사한다.
• 더 큰 세포(R ≈ 5.0 μm)는 훨씬 느린 재정렬($ \tau_x \approx 10^2 - 10^3 $ s)을 보이며, PFE 유도 정렬 효과가 제한된다.
• 긴 축 방향의 회전 확산 리라크스 시간 $ \tau_x $ 는 축비 증가에 따라 크게 증가하여 E. coli 에서는 약 1초 수준에 도달한다.
• 군집화 현상은 PFE 유도 정렬을 억제하여 큰 세포 또는 군집 분산액에서 비활성화 동역학에 기여하는 정렬 효과를 감소시킨다.