著者の所属・活動拠点の国は、韓国、イギリスです。

掲載誌：Biosensors

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

研究チームによると、世界保健機関（WHO）は細菌感染症を心臓病に次ぐ世界第2位の死因と位置づけています。2019年には、黄色ブドウ球菌を含む33種の細菌による感染症で約770万人が亡くなったとされます。細菌を調べる方法には、培養やPCR（遺伝子を増やして検出する方法）などがあります。著者らは、これらの方法は処理に時間がかかることが多く、現場や医療の場ですぐに使える速い検出法が必要だと述べています。

この研究で注目したのは、電極に流れる交流電流の通りにくさ（インピーダンス）の変化で細菌を検出する電気化学センサーです。著者らは、このセンサーに「誘電泳動」を組み合わせました。誘電泳動とは、場所によって強さが違う交流電場の中で、細胞などの粒子が引き寄せられる現象です。この力で細菌を電極へ集めれば、検出が速く、感度が高くなると考えました。研究チームの目的は、コンピューターでの計算をもとに電極の形を設計し、グラム陽性菌を速く高感度に検出できるセンサーを作って評価することでした。

何を、どのように調べたか

研究チームはまず、有限要素法という数値計算の手法を使いました。電極の形によって、細菌がどれだけ捕まるかを予測するためです。比べたのは、くしの歯を組み合わせたような形の電極（くし形電極）の2種類で、歯が長方形のものと波形のものです。計算では、リン酸緩衝生理食塩水（PBS）の中を黄色ブドウ球菌に見立てた球体が動くと仮定しました。考慮した力は誘電泳動の力と液体の抵抗力だけで、重力と、分子の衝突で粒子が不規則に動くブラウン運動は無視しています。

計算の結果をもとに、研究チームは波形の電極を選び、実際に作製しました。電極はプリント基板の上にニッケルと金を重ねたもので、1枚に8個の測定用電極が並んでいます。2枚を3Dプリンターで作ったホルダーに収め、16か所を順に測れる持ち運び可能な測定装置につなぎました。

電極の表面には、白金を細かい粒状に析出させた「白金黒」を付けました。析出時間は120秒、240秒、400秒の3通りを試しています。その上に、抗生物質のバンコマイシンを固定しました。バンコマイシンは、グラム陽性菌の細胞壁にある特定の構造（D-アラニン－D-アラニン末端）に結合します。一方、グラム陰性菌では外膜にさえぎられて結合しにくいとされます。最後に、関係のない物質が電極にくっつくのを防ぐ処理をしました。

検出対象は、グラム陽性菌の黄色ブドウ球菌とマイクロコッカス・ルテウスです。濃度は1mLあたり10〜10万CFUとしました。CFUは、生きていて増殖できる菌の数を表す単位です。比べた条件は2つです。1つは、交流電場（100kHz、10V）を30分かけて菌を電極に集めてから測る方法です。もう1つは、電場をかけずに45分置いてから測る方法です。時間は、事前の経時実験で決めました。どちらの場合も、菌が電極に付く前後のインピーダンスの変化の割合を測りました。

さらに、グラム陰性菌の大腸菌や、大腸菌との混合液で反応を比べました。同じ配列の複数の電極で測定値がどれだけそろうかも確かめています。最後に、菌を加えた脱脂乳でも測定し、PBSでの結果と比べました。

主な報告結果

計算では、波形電極が長方形電極より多くの菌を捕まえると予測されました。捕捉効率は波形で19％、長方形で12％です。著者らは、波形の曲がった部分にも電場の強い領域ができ、菌を捕まえられる範囲が広がったためだと説明しています。長方形電極では、強い電場はおもに電極の端に限られます。

PBS中の測定では、電場で菌を集めた場合、2種の菌とも1mLあたり10〜10万CFUの範囲で、濃度と信号がよく比例しました（決定係数はいずれも0.98）。電場をかけない場合、比例関係が得られたのは100〜10万CFUと狭い範囲でした（決定係数0.96と0.97）。電場を使うと、検出に必要な時間も45分から30分に短くなりました。

脱脂乳では、どちらの方法でも信号が弱まりました。電場で集めた場合、検出できたのは1mLあたり100〜10万CFUで、PBSとの比で見た回収率は約85〜90％でした。電場を使わない場合、検出できたのは1000〜10万CFUに限られ、回収率は約70〜84％でした。

バンコマイシンの選択性も確かめられました。電場は菌の種類を問わず電極へ運びますが、はっきりした反応が出たのはグラム陽性菌だけでした。大腸菌の信号はごくわずかでした。大腸菌との混合液でも反応は出ましたが、グラム陽性菌だけの場合より小さくなりました。著者らは、集まった大腸菌がグラム陽性菌の結合をじゃましたためと説明しています。

電極を作る過程では、白金黒の析出時間を400秒にしたとき、電子の受け渡しが最も起こりやすくなりました。電子の受け渡しにかかる抵抗は、何も付けない電極より約77％小さくなっています。また、複数の電極で同じ濃度の菌を測ったところ、ばらつき（相対標準偏差）は2.76％でした。

この報告が示すこと

研究チームは、計算で電極の形を決め、それを実験で確かめるという進め方をとりました。その結果、誘電泳動で菌を集める方式を使えば、グラム陽性菌をより少ない菌数で、より短い時間で測れることを示したとしています。結論では、牛乳のような複雑な試料でも感度を保てる方式であり、食品の安全管理、臨床診断、環境の監視など、低濃度の菌を検出する用途に使える基盤になると述べています。

一方で、限界も記されています。30分という菌を集める時間は、今回使った液体の電気の通しやすさ（0.1倍濃度のPBS）に特有のものです。液体の性質が変われば、必要な時間も変わる可能性があります。牛乳では検出できる最低濃度が上がりました。牛乳のたんぱく質による電極の汚れは、今回の短時間の試験では目立ちませんでした。ただし、長期間続けて使う場合は、たんぱく質が少しずつたまって影響が出る可能性があると著者らは述べています。また、電極の形を比べた計算は、重力やブラウン運動を無視した仮定にもとづくものです。

原著論文の著者・所属：Zeeshan（School of Computing, Gachon University, Seongnam-si 13120, Gyeonggi-do, Republic of Korea）、Naeem Iqbal（Centre for Secure Information Technologies, Queen’s University Belfast, Belfast BT3 9DT, UK; Momentum 1.0 Research, Queen’s University Belfast, Belfast BT3 9DT, UK）、Jaeyoung Choi（School of Computing, Gachon University, Seongnam-si 13120, Gyeonggi-do, Republic of Korea）

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Zeeshan, Naeem Iqbal, Jaeyoung Choi. Electric-Field-Assisted Enrichment and Electrochemical Detection of Gram-Positive Bacteria Using an FEM-Guided Interdigitated Electrode Biosensor. Biosensors（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-09-21. DOI: 10.3390/bios16090527. 原著ライセンス：CC BY.