著者の所属・活動拠点の国は、中国です。

掲載誌：Foods

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

アルテルナリア属のカビは、世界の農業に大きな被害を与える植物病原菌です。その中でもアルテルナリア・アルテルナータ（Alternaria alternata）は最も広く分布し、野菜や果物などおよそ100種の植物に感染します。収穫後の作物を腐らせる病気の原因にもなり、クコの実（ゴジベリー）では収穫後に問題となる主な病原菌とされています。このカビは発がん性や変異原性をもつ毒素を出し、見た目の腐敗を抑えた後も毒素が食品に残ることがあります。そのため、農業生産と食品の安全の両面で問題になると著者らは述べています。

現在の防除は合成殺菌剤に大きく頼っています。しかし、環境への影響、残留、薬が効きにくい耐性菌の出現が懸念されています。そこで研究チームが注目したのが「カーボンドット」です。カーボンドットは大きさ10ナノメートル未満の炭素の微粒子で、光をよく吸収します。もう一つの柱が光線力学療法（PDT）です。PDTは、光を吸収する物質（光増感剤）に光を当てて活性酸素を発生させ、微生物を傷つける方法です。

研究チームは以前、カーボンドットと光の組み合わせでブドウやクコの実の保存性が高まることを報告していました。ただし、それらの研究は果実全体の保存効果が中心で、病原菌そのものにどう作用するのかは明らかになっていませんでした。そこで今回は、クコの実の主な病原菌であるアルテルナリア・アルテルナータに対する抗カビ効果と、その仕組みを体系的に調べることを目指しました。

何を、どのように調べたか

実験には、感染したクコの実から以前に分離・同定されたアルテルナリア・アルテルナータの菌株を使いました。カーボンドットは、アスコルビン酸（ビタミンC）を原料に合成したものです。

最初に、カーボンドットの濃度を5〜30ミリグラム毎ミリリットルの6段階に変えて効果を比べました。菌の小片をカーボンドット溶液に浸し、波長465ナノメートルの青色LED光を、放射照度145ミリワット毎平方センチメートルで30分間当てました。比較したのは次の4つの条件です。カーボンドットも光も与えない対照、光だけ、カーボンドットだけ、カーボンドットと光の併用。処理後の菌は寒天培地に植え、暗所・28℃で48時間育てて、広がったカビの直径（コロニー径）を測りました。この結果から、増殖を半分に抑える濃度を求め、以降の仕組みを調べる実験の濃度を決めています。

仕組みの解析では、菌の重さに加えて、細胞のさまざまな状態を測りました。細胞膜の傷みは、傷んだ膜だけを通る赤い色素による染色、脂質が酸化されたときにできる物質（MDA）の量、細胞内の酵素（LDH）の活性で評価しました。LDHは膜が壊れると細胞外へ漏れ出すため、細胞内の活性が下がることが膜の損傷の目安になります。細胞内の活性酸素は、蛍光や発色で検出する染色と、過酸化水素の定量で調べました。活性酸素を消去する酵素（SOD、CAT、GPX）や抗酸化物質、全体の抗酸化力、エネルギーの指標となるATPとアセチルCoAも測定しています。さらに、塩や糖アルコールによる浸透圧ストレス、過酸化水素、細胞壁を乱す薬剤などを加えた培地で処理後の菌を育て、ストレスへの弱さを比べました。いずれの実験も3回の繰り返しで行われました。

主な報告結果

光を当てない条件では、どの濃度のカーボンドットでも、対照と比べてコロニー径に有意な変化はありませんでした。一方、青色光と併用すると、5〜15ミリグラム毎ミリリットルではわずかな減少にとどまりました。20、25、30ミリグラム毎ミリリットルでは、コロニー径がそれぞれ72%、76%、80%減少し、濃度が高いほど抑制が強くなりました。増殖を半分に抑える濃度は17.89ミリグラム毎ミリリットルと計算され、以降の実験では18ミリグラム毎ミリリットルが使われました。

菌の量で見ると、48時間培養後、併用条件では対照と比べて生重量が94.7%、乾燥重量が98.4%減りました。カーボンドットだけの条件でも乾燥重量は40.8%減っており、著者らは光がなくてもカーボンドット自体に一定の毒性があるとみています。それでも、最も強い抑制を示したのは併用条件でした。

細胞膜については、併用条件で脂質の酸化を示すMDAが対照より24時間後に88.9%、48時間後に50%増えました。細胞内のLDH活性は24時間後に34.4%下がり、膜の損傷がうかがえる結果でした。

細胞内の過酸化水素は、併用条件で対照の20倍（24時間後）、14.2倍（48時間後）に増えました。これに対して菌の側でも防御反応が見られ、SOD活性は24時間後に42.4%、48時間後に84.8%上昇しました。一方、過酸化水素を分解する酵素CATの活性は、24時間後に57.1%、48時間後に31.9%低下しました。GPX活性は24時間後には上がったものの、48時間後には対照と差がなくなりました。著者らは、CATが失われることで過酸化水素がたまり、酸化による傷害がさらに進む悪循環が生じると考えています。

エネルギー面では、併用条件でATPが24時間後に87.8%、48時間後に30.6%減りました。エネルギーを生み出す代謝経路の出発物質であるアセチルCoAも、24時間後に68.7%減少しました。

ストレスを加えた培地では、併用処理を受けた菌の生育が大きく落ちました。報告されたコロニー径の減少率は、過酸化水素で27.6%、細胞壁を乱す薬剤のSDSで48.6%、コンゴーレッドで89.9%、浸透圧をかけるソルビトールで90.2%、塩化ナトリウムで72.5%です。特に細胞壁の乱れと浸透圧のストレスに弱くなっていました。

この報告が示すこと

研究チームは、カーボンドットと青色光はそれぞれ単独では効果が限られる一方、組み合わせたときの光線力学的な作用が強い抗カビ効果の主な要因だと結論づけました。著者らが提案する仕組みは、次のように一つの標的にとどまらないものです。光を受けたカーボンドットが活性酸素を大量に生み、それが細胞壁や細胞膜を傷つけます。同時に、細胞の抗酸化防御が追いつかなくなり、エネルギー代謝が損なわれ、外からのストレスにも弱くなります。著者らは、こうした複数の標的に作用する点が、単一の標的を狙う従来の殺菌剤と比べた利点になりうると述べています。

一方で、著者らは未解明の点も挙げています。どの活性酸素がどの程度寄与しているのか、酸化による傷害の分子レベルの標的は何か、カーボンドットの性質と効果の関係はどうか、そして実用化に向けた課題です。また、今回は実験室での菌への作用を調べたもので、このカビが出す毒素の産生にどう影響するかは今後調べるべき点とされています。

原著論文の著者・所属：Zhi-Jing Ni（Ningxia Key Laboratory for the Development and Application of Microbial Resources in Extreme Environments, Yinchuan 750021, China; School of Biological Science and Engineering, Specialty Food Nutrition and Health Innovation Team of Ningxia Hui Autonomous Region, North Minzu University, Yinchuan 750021, China）、Ruo-Tong Yang（School of Biological Science and Engineering, Specialty Food Nutrition and Health Innovation Team of Ningxia Hui Autonomous Region, North Minzu University, Yinchuan 750021, China）、Run-Hui Ma（Ningxia Key Laboratory for the Development and Application of Microbial Resources in Extreme Environments, Yinchuan 750021, China; School of Biological Science and Engineering, Specialty Food Nutrition and Health Innovation Team of Ningxia Hui Autonomous Region, North Minzu University, Yinchuan 750021, China）、Wei Wang（Ningxia Key Laboratory for the Development and Application of Microbial Resources in Extreme Environments, Yinchuan 750021, China; School of Biological Science and Engineering, Specialty Food Nutrition and Health Innovation Team of Ningxia Hui Autonomous Region, North Minzu University, Yinchuan 750021, China）、Kiran Thakur（Ningxia Key Laboratory for the Development and Application of Microbial Resources in Extreme Environments, Yinchuan 750021, China; School of Biological Science and Engineering, Specialty Food Nutrition and Health Innovation Team of Ningxia Hui Autonomous Region, North Minzu University, Yinchuan 750021, China）、Zhao-Jun Wei（Ningxia Key Laboratory for the Development and Application of Microbial Resources in Extreme Environments, Yinchuan 750021, China; School of Biological Science and Engineering, Specialty Food Nutrition and Health Innovation Team of Ningxia Hui Autonomous Region, North Minzu University, Yinchuan 750021, China）

※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）：Zhi-Jing Ni, Ruo-Tong Yang, Run-Hui Ma, et al. Antifungal Efficacy of Carbon Quantum Dots Combined with Photodynamic Therapy Against Alternaria alternata. Foods（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-09-12. DOI: 10.3390/foods15183227. 原著ライセンス：CC BY.