JP4822689B2 - Microorganism isolation apparatus, microorganism isolation method, and microorganism-containing microparticles obtained by the method - Google Patents
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Description
本発明は、微生物単離装置、微生物の単離方法および該方法で得られた微生物含有微粒子に関する。より詳細には、本発明は、自然界に存在する微生物、特に生存するが培養困難な微生物を単離し得る微生物単離装置;多種類の微生物を個別に評価するために微生物を単離し得る微生物単離装置;および、微生物の単離方法;ならびに、そのような微生物を任意の個数、望ましくは実質的に1個だけ含有する微粒子に関する。 The present invention relates to a microorganism isolation apparatus, a microorganism isolation method, and a microorganism-containing microparticle obtained by the method. More specifically, the present invention relates to a microorganism isolation device that can isolate microorganisms that exist in nature, particularly microorganisms that survive but are difficult to cultivate; microorganisms that can isolate microorganisms in order to individually evaluate many types of microorganisms. And a microbe isolation method; and microparticles containing any number, preferably substantially one, of such microorganisms.
従来、自然界から微生物を分離し培養する方法として、平板培養法が広く知られている。平板培養法は、多種多様の微生物が混在する試料を平板培地(プレート)に播き、一定時間培養後プレート上に形成されたコロニーを単離することにより、微生物の単一コロニーまたは単一細胞を分離する方法である。平板培養法によれば、通常、単離した微生物(コロニー)の中から目的にかなった微生物が検索される。この平板培養法をベースとして様々な方法が開発され、それにより産業上有用な微生物が数多く分離され利用されている。 Conventionally, a plate culture method is widely known as a method for separating and culturing microorganisms from nature. In the plate culture method, a single colony or single cell of a microorganism is obtained by seeding a sample mixed with a wide variety of microorganisms on a plate medium (plate) and isolating colonies formed on the plate after culturing for a certain period of time. It is a method of separation. According to the plate culture method, a microorganism that meets the purpose is usually searched from isolated microorganisms (colony). Based on this plate culture method, various methods have been developed, and many industrially useful microorganisms have been separated and used.
1970年代後半になって、蛍光顕微鏡を用いる分離源中の全菌数計数法が確立された。このことにより、多種多様な微生物を計数する技術が開発されている。一方、自然界の分離源中の微生物に起因する生物活性を蛍光色素染色法で検出する技術が開発されている。これらの技術開発によって、上記の平板培養法では培養できない微生物が自然界に多く存在することが解明されてきている。すなわち、自然界には、通常の栄養培地で培養可能な微生物群と、生物活性を示すが培養困難な微生物群とが存在することが明らかになっている。このような生物活性を示すが培養困難な微生物群は、VBNC状微生物(生きているが培養が困難な微生物)として知られるようになってきている。 In the late 1970s, a method for counting the total number of bacteria in a separation source using a fluorescence microscope was established. As a result, techniques for counting a wide variety of microorganisms have been developed. On the other hand, a technique for detecting a biological activity caused by a microorganism in a natural separation source by a fluorescent dye staining method has been developed. Through these technological developments, it has been elucidated that there are many microorganisms in nature that cannot be cultured by the above plate culture method. That is, it has been clarified in nature that there are a group of microorganisms that can be cultured in a normal nutrient medium and a group of microorganisms that exhibit biological activity but are difficult to culture. A group of microorganisms that exhibit such biological activity but are difficult to culture has become known as VBNC-like microorganisms (living microorganisms that are difficult to culture).
上記のようなVBNC状微生物の中には、未知の微生物種(新種の微生物)の存在が想定され得る。さらに、深海などの極端な環境、またはヒト等の高等動物、昆虫、土壌原生動物もしくは海洋生物等の生物体内あるいは活性汚泥等の人工的環境中にも、未知の微生物種の存在が想定され得る。 Among the above-mentioned VBNC-like microorganisms, the existence of unknown microbial species (new microbial species) can be assumed. Furthermore, the presence of unknown microbial species can be assumed in extreme environments such as the deep sea, or in living organisms such as higher animals such as humans, insects, soil protozoa or marine organisms, or in artificial environments such as activated sludge. .
加えて、VBNC状微生物は生きている細胞であるから、その中にはDNA遺伝子が存在している。したがって、VBNC状微生物のDNA遺伝子の中には、未だ知られていない機能を有する未知の遺伝子が存在すると想定され得る。このような未知の遺伝子は、食品産業、医薬品産業、水質等の環境保全、医療等において有用となり得る可能性がある。 In addition, since a VBNC-like microorganism is a living cell, a DNA gene is present therein. Therefore, it can be assumed that an unknown gene having a function not yet known exists in the DNA gene of the VBNC-like microorganism. Such unknown genes may be useful in the food industry, pharmaceutical industry, environmental conservation such as water quality, medical care, and the like.
しかし、上記のように、VBNC状微生物は、平板培養法では培養できないので、このような微生物(場合によっては、その遺伝子)を単離することができない。 However, as described above, since VBNC-like microorganisms cannot be cultured by the plate culture method, such microorganisms (in some cases, their genes) cannot be isolated.
このような問題を解決するために、通常の微生物とVBNC状微生物が混在する微生物資源からVBNC状微生物のみを分離する方法として、ゲルマイクロドロップ法と称する方法が提案されている(特許文献1参照)。この方法は、微生物を含む試料液を孔径約15μmの多孔質膜を通過させ、W/Oエマルジョン化して直径約40μmのゲル微粒子(ゲルマイクロドロップ)を形成する。このゲルマイクロドロップ集団を増殖環境下におく(特許文献1によれば、通常の微生物はゲル内で増殖しゲルは複数の細胞を含む一方で、VBNC状微生物は増殖しないのでゲル内の細胞は1個のままであるとしている)。最後に、フローサイトメトリー法により、1個の微生物細胞を有するゲル微粒子(VBNC化微生物)をセルソーターにより識別して分離する。このようにして、VBNC状微生物が分離され得るとされている。 In order to solve such a problem, a method called a gel microdrop method has been proposed as a method for separating only VBNC-like microorganisms from a microbial resource in which normal microorganisms and VBNC-like microorganisms are mixed (see Patent Document 1). ). In this method, a sample solution containing microorganisms is passed through a porous membrane having a pore diameter of about 15 μm, and W / O emulsion is formed to form gel microparticles (gel microdrops) having a diameter of about 40 μm. This gel microdrop population is placed in a growth environment (according to Patent Document 1, normal microorganisms grow in the gel and the gel contains a plurality of cells, whereas VBNC-like microorganisms do not grow, so the cells in the gel It is supposed to remain one). Finally, gel microparticles (VBNC-modified microorganisms) having one microbial cell are identified and separated by a cell sorter by flow cytometry. In this way, it is said that VBNC-like microorganisms can be separated.
しかし、この方法は、ゲル微粒子の生成に多孔質膜(いわゆる軽石状の孔構造を有する膜)を用いているので、得られる微粒子の粒径が非常に不均一である。さらに、孔の平均径が約15μmと大きく、結果として得られる微粒子の平均径も直径約40μmと大きい。その結果、1つの微粒子内に含まれる微生物(細胞)の数が不均一となり、分離の効率がきわめて不十分である。
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、VBNC状微生物および/または既知の微生物を非常に高い効率で単離し得る微生物単離装置および微生物の単離方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and the object of the present invention is to provide a microorganism isolation apparatus and microorganism capable of isolating VBNC-like microorganisms and / or known microorganisms with very high efficiency. It is in providing the isolation method of this.
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、所定の微生物を含む原料液体を流す微小流路にパルス状の圧力をかけ、当該原料液体を脈動させて微小流路の合流部に供給し、該合流部で瞬間的に物理的過程および/または化学的過程を起こさせて微粒子を生成することにより上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned object, the present inventors have applied a pulsed pressure to the microchannel through which the raw material liquid containing a predetermined microorganism flows, and pulsated the raw material liquid to join the confluence portion of the microchannel It was found that the above-mentioned object can be achieved by generating a fine particle by instantaneously causing a physical process and / or a chemical process at the joining portion to complete the present invention.
本発明の微生物単離装置は、それぞれが所定の微生物を含む微生物供給液を含有する、少なくとも1つの微生物供給部と;該微生物供給液と接触して微粒子を生成する接触液を含有する、接触液供給部と;該少なくとも1つの微生物供給部からそれぞれ延び、該微生物供給液が通る少なくもと1つの微生物供給流路と;該接触液供給部から延び、該接触液が通る接触液供給流路と;該少なくもと1つの微生物供給流路と該接触液供給流路とが合流して形成され、該微生物供給液と該接触液とを接触させて微粒子を生成する、微粒子生成部とを備え、該生成される微粒子が、該微粒子内に該所定の微生物をそれぞれ所定の数だけ含む。 The microorganism isolation apparatus of the present invention includes at least one microorganism supply unit that contains a microorganism supply solution containing a predetermined microorganism, and a contact solution that contains a contact solution that contacts the microorganism supply solution to generate fine particles. A liquid supply section; at least one microorganism supply flow path extending from the at least one microorganism supply section and through which the microorganism supply liquid passes; and a contact liquid supply flow extending from the contact liquid supply section and through which the contact liquid passes. A microparticle generator that forms the microparticles by bringing the microbe supply liquid and the contact liquid into contact with each other, the path; and at least one microbe supply path and the contact liquid supply path The generated microparticles include a predetermined number of the predetermined microorganisms in the microparticles.
好ましい実施形態においては、上記装置は、所定の微生物を含む微生物供給液を含有する、1つの微生物供給部と;該微生物供給液と接触して微粒子を生成する接触液を含有する、接触液供給部と;該微生物供給部から延び、該微生物供給液が通る微生物供給流路と;該接触液供給部から延び、該接触液が通る接触液供給流路と;該微生物供給流路と該接触液供給流路とが合流して形成され、該微生物供給液と該接触液とを接触させて微粒子を生成する、微粒子生成部とを備え、該生成される微粒子が、該微粒子内に該所定の微生物をそれぞれ所定の数だけ含む。 In a preferred embodiment, the apparatus includes one microorganism supply unit containing a microorganism supply liquid containing a predetermined microorganism; and a contact liquid supply containing a contact liquid that contacts the microorganism supply liquid to generate fine particles. A microorganism supply passage extending from the microorganism supply section and through which the microorganism supply liquid passes; a contact liquid supply passage extending from the contact liquid supply section and through which the contact liquid passes; and the microorganism supply flow path and the contact A liquid supply flow path is formed to join the microorganism supply liquid and the contact liquid to generate fine particles, and the generated fine particles are contained in the predetermined fine particles in the fine particles. A predetermined number of each of the microorganisms.
別の好ましい実施形態においては、上記装置は、第1の微生物を含む第1の微生物供給液を含有する、第1の微生物供給部と;第2の微生物を含む第2の微生物供給液を含有する、第2の微生物供給部と;該第1および第2の微生物供給液と接触して微粒子を生成する接触液を含有する、接触液供給部と; 該第1の微生物供給部から延び、該第1の微生物供給液が通る第1の微生物供給流路と;該第2の微生物供給部から延び、該第2の微生物供給液が通る第2の微生物供給流路と;該接触液供給部から延び、該接触液が通る接触液供給流路と;該第1および第2の微生物供給流路と該接触液供給流路とが合流して形成され、該第1および第2の微生物供給液と該接触液とを接触させて微粒子を生成する、微粒子生成部とを備え、該生成される微粒子が、該微粒子内に該所定の微生物をそれぞれ所定の数だけ含む。 In another preferred embodiment, the apparatus contains a first microorganism supply section containing a first microorganism supply liquid containing a first microorganism; and a second microorganism supply liquid containing a second microorganism. A second microorganism supply section; a contact liquid supply section containing a contact liquid that is brought into contact with the first and second microorganism supply liquids to produce fine particles; and extends from the first microorganism supply section; A first microorganism supply flow path through which the first microorganism supply liquid passes; a second microorganism supply flow path extending from the second microorganism supply section and through which the second microorganism supply liquid passes; and the contact liquid supply A contact liquid supply channel extending from the portion through which the contact liquid passes; and the first and second microorganism supply channels and the contact liquid supply channel are joined together to form the first and second microorganisms. A fine particle generation unit that generates fine particles by bringing the supply liquid and the contact liquid into contact with each other. That fine particles, each containing a predetermined number of said predetermined microorganism in the microparticles.
好ましい実施形態においては、上記生成される微粒子は、該微粒子内に微生物をそれぞれ実質的に1個だけ含む。 In a preferred embodiment, the produced microparticles contain substantially only one microorganism each in the microparticles.
好ましい実施形態においては、上記接触液供給流路は、上記微生物供給流路の断面積よりも大きい断面積を有する。 In a preferred embodiment, the contact liquid supply channel has a cross-sectional area larger than that of the microorganism supply channel.
本発明の別の局面によれば、微生物の単離方法が提供される。この方法は、所定の微生物を含む微生物供給液を調製する工程と;該微生物供給液と接触して微粒子を生成する接触液を調製する工程と;該微生物供給液と該接触液とを接触させて微粒子を生成する工程とを含み、該生成される微粒子が、該微粒子内に該所定の微生物をそれぞれ所定の数だけ含む。 According to another aspect of the present invention, a method for isolating a microorganism is provided. The method comprises the steps of: preparing a microorganism supply liquid containing a predetermined microorganism; preparing a contact liquid that is brought into contact with the microorganism supply liquid to generate fine particles; and contacting the microorganism supply liquid and the contact liquid. Producing fine particles, and the produced fine particles contain a predetermined number of the predetermined microorganisms in the fine particles.
好ましい実施形態においては、上記生成される微粒子の体積は、0.5〜500ピコリットルである。 In a preferred embodiment, the volume of the fine particles produced is 0.5 to 500 picoliters.
好ましい実施形態においては、上記微生物供給液はゲル化材料を含む。 In a preferred embodiment, the microorganism feed solution includes a gelling material.
好ましい実施形態においては、上記微生物供給液中における上記所定の微生物の濃度は、2×106〜2×109個/mlである。 In a preferred embodiment, the concentration of the predetermined microorganism in the microorganism supply solution is 2 × 10 6 to 2 × 10 9 cells / ml.
好ましい実施形態においては、上記接触液がゲル化開始成分を含む。 In a preferred embodiment, the contact liquid includes a gelation initiating component.
好ましい実施形態においては、上記所定の微生物は、真正細菌、古細菌、酵母および遺伝子組換え体からなる群から選択される少なくとも1つである。 In a preferred embodiment, the predetermined microorganism is at least one selected from the group consisting of eubacteria, archaea, yeasts and genetic recombinants.
本発明のさらに別の局面によれば、微生物含有微粒子が提供される。この微生物含有微粒子は、上記の方法で得られる。 According to still another aspect of the present invention, microorganism-containing microparticles are provided. The microorganism-containing fine particles are obtained by the above method.
本発明によれば、微小な領域で微小量の微生物供給液を、当該微生物供給液と接触して微粒子を生成し得る接触液と接触させることにより、きわめて小さなサイズの微粒子を生成することができる。微生物供給液の濃度を調整することにより、上記微小量の供給液中に実質的に1個の微生物を含有させることができる。したがって、生成される微粒子中に実質的に1個の微生物を含有させることができる。 According to the present invention, a very small size of microparticles can be generated by contacting a micro amount of a microbe supply liquid in a microscopic area with a contact liquid that can generate microparticles by contacting the microbe supply liquid. . By adjusting the concentration of the microorganism supply solution, substantially one microorganism can be contained in the minute amount of the supply solution. Therefore, substantially one microorganism can be contained in the generated fine particles.
本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。 Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.
A.微生物単離装置
図1は、本発明の好ましい実施形態による微生物単離装置の全体的な構成を説明する概略斜視図である。簡単のため、図示例では単一の微生物供給部を有する場合について説明するが、本発明が2つ以上の微生物供給部を有する場合に適用され得ることはいうまでもない(2つ以上の微生物供給部を有する場合については、特徴的な部分のみを簡単に後述する)。図1の微生物単離装置100は、基板10上に形成された微生物供給部1aと、接触液供給部1bと、微生物供給部1aから延びる微生物供給流路2aと、接触液供給部1bから延びる接触液供給流路2bと、微生物供給流路2aと接触液供給流路2bとが合流して形成された微粒子生成部5とを備える。微生物供給部1aに含有された微生物供給液が微生物供給流路2aを通って微粒子生成部5に供給される。同様に、接触液供給部1bに含有された接触液が接触液供給流路2bを通って微粒子生成部5に供給される。微粒子生成部5において、微生物供給液と接触液との間に物理的過程および/または化学的過程を生じさせることにより、微粒子が生成される。物理的過程の代表例は相分離であり、化学的過程の代表例は化学反応(例えば、酸化、還元、塩の生成)である。なお、この装置における液体供給機構は、特開2003−220322号公報に記載の液体混合機構を応用したものであり、当該公報の開示は本明細書に参考として援用される。
A. Microorganism Isolation Device FIG. 1 is a schematic perspective view illustrating the overall configuration of a microorganism isolation device according to a preferred embodiment of the present invention. For the sake of simplicity, the illustrated example will be described in the case of having a single microorganism supply unit, but it goes without saying that the present invention can be applied to a case of having two or more microorganism supply units (two or more microorganisms). In the case of having a supply unit, only the characteristic part will be briefly described later). A
このような装置100の外形寸法は、代表的には、約25mm×30mm×0.5mmである。好ましくは、接触液供給流路2bは、微生物供給流路2aの断面積より大きい断面積を有する。このような構成を採用することにより、微生物供給液の1回ごとの供給量を非常に小さくすることができるので、結果として、微生物(細胞)を1個のみ含有する微粒子を生成できる確率が顕著に大きくなる。具体的には、微生物供給流路2aの幅は代表的には50〜200μmであり、深さは代表的には30〜120μmである。接触液供給流路2bの幅は代表的には100〜500μmであり、深さは代表的には50〜500μmである。微粒子生成部5は、実質的には接触液供給流路2bから連続的に延びており、その幅は代表的には100〜500μmであり、深さは代表的には50〜500μmである。微生物供給流路2aに対する接触液供給流路2bの断面積の比2b/2aは、好ましくは2〜50である。好ましくは、微生物供給流路2aの幅は、接触液供給流路2bと合流する直前の部分において、狭くなっていることが望ましい。合流直前の微生物供給流路2aの幅は、代表的には10〜50μmである。微生物供給流路2aはテーパー状に狭くなってもよく、段階的に狭くなってもよい。このような微小な領域で微小量の微生物供給液を接触液と接触させて微粒子を生成することが本発明の特徴の1つである。微小量の微生物供給液を接触させることにより、従来は困難であったきわめて微小なサイズの粒子の製造が可能となる。その結果、微粒子に取り込まれる微生物(細胞)の数を非常に小さくする(代表的には、実質的に1個だけ取り込む)ことが可能となる。本発明においては、基板10は特に制限されず、任意の適切な基板が採用され得る。代表的には、シリコンウェハーが用いられる。基板10上の流路等の形成は、任意の適切な微細加工技術(例えば、フォトリソグラフィー)によって行われる。
The external dimensions of such an
この装置100は、微生物供給流路2aおよび接触液供給流路2bにそれぞれ圧力発生機構3a、3bを有する。圧力発生機構としては、任意の適切な装置が採用され得、代表的には、マイクロポンプ(好ましくは、ディフューザー型マイクロポンプ)である。図2は、ディフューザー型マイクロポンプの流路方向の概略断面図である。マイクロポンプ3aは、ポンプ室31に対向する振動板32に、セラミック圧電材料であるPZT〔Pb(Zr,Ti)O3〕33が貼り付けられてなる。PZT33は、駆動部34により駆動電圧が印加されるとポンプ室31側に湾曲し、ポンプ室31の容積が変動し、圧力が発生する。パルス状の駆動電圧を印加することにより、駆動電圧に対応したパルス状の圧力が発生する。圧力が発生すると、前後のディフューザー35、36の流路インピーダンスの差により原料液体が送液される。マイクロポンプ3bには一定の駆動電圧が印加され、当該駆動電圧に対応した一定圧力が発生し、その結果、一定量の接触液が連続的に供給され得る。接触液供給流路2bに一定量の接触液を連続的に流す手段としては、マイクロポンプ3bの代わりに、接触液供給部1bにシリンジポンプなどを接続してもよい。
The
上記圧力のパルス形状は、目的に応じて適宜設定され得る。代表的には、当該パルス形状は、流路ごとに独立して設定され得る。具体的には、図3(a)に示すように、微生物供給流路2aには所定のパルス状圧力がかけられる。その結果、微生物供給液が間欠的に微粒子生成部に供給される。接触液供給流路2bについては、上記のようにおよび図3(a)に示すように、一定の圧力がかけられる。その結果、一定量の接触液が連続的に微粒子生成部に供給される。接触液供給流路2bに目的に応じて任意の適切なパルス状の圧力をかけて、接触液を微粒子生成部に間欠的に供給してもよいことは言うまでもない。
The pulse shape of the pressure can be appropriately set according to the purpose. Typically, the pulse shape can be set independently for each channel. Specifically, as shown in FIG. 3A, a predetermined pulse pressure is applied to the microorganism
特に好ましくは、上記圧力のパルス形状は、微生物供給液を微粒子生成部に供給する場合に対応する大きな圧力部分(液滴形成パルス)と該微生物供給液を該微粒子生成部に供給しない場合に対応する小さな圧力部分(逆流防止パルス)とを有する。すなわち、図3(b)に示すように、微生物供給液を微粒子生成部に供給しないときに小さな圧力(逆流防止パルス)を発生させる。このような小さな圧力を発生させることにより、微粒子生成部5から微生物供給流路2aへの逆流が防止できる。当該小さな圧力は、使用する微生物供給液の種類等に応じて適宜設定され得る。例えば、大きな圧力部分の圧力PLと小さな圧力部分の圧力PSとの比PL/PSは、1/2〜1/100の範囲である。大きな圧力部分(液滴形成パルス)を発生させる印加電圧は、代表的には5〜40Vであり、小さな圧力部分(逆流防止パルス)を発生させる印加電圧は、代表的には1〜10Vである。本発明によれば、後述のように微生物供給液の供給の切り替え周期を非常に短くできるが、切り替え周期を短くすると逆流が起きやすく、微粒子生成の精度に非常に悪影響を与える。したがって、このような逆流防止手段を実現できたことは極微小なサイズの粒子の製造にとってきわめて重要であり、本発明の大きな成果の1つである。もちろん、図3に示すような形状以外に、目的に応じて任意の適切な形状のパルスを発生させることにより、微粒子生成部における微生物供給液の供給量および供給間隔を変更することが可能となる。
Particularly preferably, the pulse shape of the pressure corresponds to a large pressure portion (droplet forming pulse) corresponding to the case where the microorganism supply liquid is supplied to the particle generation unit and the case where the microorganism supply liquid is not supplied to the particle generation unit. With a small pressure portion (backflow prevention pulse). That is, as shown in FIG. 3B, a small pressure (backflow prevention pulse) is generated when the microorganism supply liquid is not supplied to the fine particle generation unit. By generating such a small pressure, it is possible to prevent a back flow from the fine
図3(a)を参照して説明すると、上記パルスにおける液滴形成パルスSの周波数は、好ましくは1〜50kHz、さらに好ましくは8〜13kHzである。パルスの切り替え周期は、好ましくは10Hz〜10kHz、さらに好ましくは100Hz〜5kHzである。このようなきわめて短い切り替え周期を達成できること(結果として、きわめて小さい供給量で微生物供給液を微粒子生成部に送ることができること)が、本発明の特徴の1つである。駆動素子が非常に短いので共振周波数を格段に大きくすることができるからである。微粒子供給液をきわめて短い切り替え周期で(きわめて小さい供給量で)微粒子生成部に供給することにより、接触空間または反応空間のスケールが非常に小さくなる。その結果、非常に小さく、かつ非常にシャープな粒度分布を有する微粒子を製造することができる。その結果、微粒子内に微生物を所定の数だけ含ませる統計的な精度が格段に高くなる。しかも、微粒子供給液と接触液との接触機会をきわめて増大させることができるので、生産性がきわめて大きい。加えて、装置スケール(反応スケール)がきわめて小さいので、きわめて小さな消費電力で微粒子を製造することができる。 Referring to FIG. 3 (a), the frequency of the droplet forming pulse S in the pulse is preferably 1 to 50 kHz, more preferably 8 to 13 kHz. The pulse switching period is preferably 10 Hz to 10 kHz, and more preferably 100 Hz to 5 kHz. It is one of the features of the present invention that such a very short switching cycle can be achieved (as a result, the microorganism supply liquid can be sent to the fine particle generation unit with a very small supply amount). This is because the drive element is very short, so that the resonance frequency can be greatly increased. By supplying the fine particle supply liquid to the fine particle generation unit with a very short switching cycle (with a very small supply amount), the scale of the contact space or the reaction space becomes very small. As a result, fine particles having a very small and very sharp particle size distribution can be produced. As a result, the statistical accuracy of including a predetermined number of microorganisms in the fine particles is remarkably increased. In addition, since the chance of contact between the fine particle supply liquid and the contact liquid can be greatly increased, productivity is extremely high. In addition, since the apparatus scale (reaction scale) is extremely small, it is possible to produce fine particles with extremely small power consumption.
図4は、微生物供給流路2aと接触液供給流路2bの合流部(微粒子生成部5の最上流部)における微粒子形成過程のメカニズムを説明する模式図である。上記圧力のパルス形状に応じて、微生物供給液の塊(層)41が接触液の流れ42に供給される。微生物供給液の溶媒(分散媒)と接触液とを適切に選択することにより、微生物供給液の塊(層)41は接触液の流れ42と接触した瞬間にゲル状微粒子43を形成する(なお、微生物供給液および接触液の詳細は、後述のB項で説明する)。ゲル状微粒子43は接触液の流れに乗って下流へと移動する。例えば、微生物供給液における微生物の濃度を1×108〜2×109個/mlに設定し、1パルスごとの微生物供給液の供給量を0.5〜10ピコリットルに設定すると、微生物供給液1パルスあたり実質的に1個の微生物が含まれることとなる。本明細書において、「実質的に1個の微生物が含まれる」とは、微生物が同種の他の微生物および/または他種の微生物の影響を実質的に受けないで増殖・成長し得るような個数で1パルスの供給液中または生成微粒子中に存在することを意味する。当該1パルス分の供給液が接触液と接触することにより、約10〜27μmの平均粒径を有するゲル状微粒子が得られる。微生物供給液と接触液の液−液界面は微生物供給液の濃度分布および接触度合いがきわめて均一であるので、非常にシャープな粒度分布を有する微粒子が得られる。得られる微粒子のCV値(粒度分布の指標であり、標準偏差/平均粒径×100(%)で表される)は、代表的には2%〜20%、好ましくは5%〜15%である。非常にシャープな粒度分布を有する微粒子を形成することにより、微粒子1個に実質的に1個の微生物が存在する統計的な確率が格段に大きくなる。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the mechanism of the fine particle formation process in the merging portion of the microorganism
好ましくは、微粒子生成部5に温度制御部(図示せず)が設けられる。温度制御部は、任意の適切な温度制御手段で構成される。代表的な温度制御手段は、流路基板10の裏側に薄膜抵抗体であるTaSiO2やTa2Nが形成されてなる。また、流路基板にSiを使用する場合には、不純物ドープSi抵抗体を使用することもできる。温度制御の仕方は、目的に応じて適宜設定され得る。例えば、微粒子生成部5の全体を一定温度に制御してもよく、上流から下流に向かって正(または負)の温度勾配を形成してもよく、微粒子生成部5の任意の部分のみを高温(または低温)に制御してもよい。このようにして、微粒子生成過程を精密かつ良好にコントロールすることができる。
Preferably, the fine
好ましくは、微粒子生成部5の下流に微粒子捕集部6が設けられている。微粒子捕集部6は、微粒子のサイズおよび/または物理的特性を利用して微粒子を捕集(回集)する。微粒子のサイズを利用する手段としては、流路に予め加工しておいたフィルター手段(例えば、孔、柱)、遠心分離機構などが挙げられる。微粒子の物理的特性を利用する手段としては、誘電率または電荷などを利用する手段が挙げられる。具体的には、流路に予め加工しておいた電極パターン、撥水・親水パターンなどを利用して、誘電泳動、電気泳動などによって捕集する。
Preferably, a particulate collection unit 6 is provided downstream of the
図5は、本発明の別の実施形態による微生物単離装置の流路形状を説明する概略平面図である。この実施形態は、2つの微生物供給流路2aおよび2cが形成されている場合である。図5のような流路を用いる場合には、第1の微生物供給部1aに微生物αを含有する第1の微生物供給液を入れ、第2の微生物供給部1cに微生物βを含有する第2の微生物供給液を入れることにより、微生物αと微生物βを実質的に1個ずつ含む微粒子を形成することができる。図6は、このような実施形態における微生物供給流路と接触液供給流路の合流部での微粒子形成過程のメカニズムを説明する模式図である。圧力発生機構に印加された圧力のパルス形状に応じて、第1の微生物供給液の塊(層)61が微生物供給流路2aに供給される。第1の微生物供給液の濃度および1パルスあたりの供給量を調整することにより、塊(層)61中には実質的に1個の微生物αが含有される。同様に、第2の微生物供給液の塊(層)64が微生物供給流路2cに供給される。第2の微生物供給液の濃度および1パルスあたりの供給量を調整することにより、塊(層)64中には実質的に1個の微生物βが含有される。微生物供給流路2aと2cの合流点で、塊(層)61と塊(層)64とが合流し、塊(層)65を形成する。パルスのタイミングを調整することにより、塊(層)61と塊(層)64とが適切に合流するようにすることができる。塊(層)65は、接触液の流れ62と接触した瞬間にゲル状微粒子63を形成する。ゲル状微粒子63は接触液の流れに乗って下流へと移動する。例えば、第1の微生物供給液における微生物αの濃度を1×108〜2×109個/mlに設定し、1パルスごとの微生物供給液の供給量を0.5〜10ピコリットルに設定すると、塊(層)61の1個あたりに実質的に1個の微生物αが含まれることとなる。同様にして、塊(層)64の1個あたりに実質的に1個の微生物βを含めることができる。その結果、微生物αと微生物βを実質的に1個ずつ含有する塊(層)65が形成され、最終的には、微生物αと微生物βを実質的に1個ずつ含有するゲル状微粒子63が生成され得る。この場合の塊(層)65の体積は1.0〜20ピコリットルとなり、得られる微粒子の平均粒径は約12〜34μmとなる。微生物供給液の濃度および1パルスごとの供給量を制御することにより、ゲル上微粒子に含有される微生物の数を目的に応じて適宜設定できる。例えば、(α1個、β2個)、(α2個、β1個)、(α2個、β2個)、(α3個、β2個)、(α2個、β3個)のような任意の組み合わせが採用され得る。なお、目的に応じて3つ以上の微生物供給部を有する実施形態が採用され得ることは言うまでもない。また、2つ以上の微生物供給流路の合流形態も、目的に応じて任意の適切な形態が採用され得る。
FIG. 5 is a schematic plan view illustrating the channel shape of a microorganism isolation device according to another embodiment of the present invention. This embodiment is a case where two
B.微生物の単離方法
次に、本発明の微生物の単離方法の好ましい一例を説明する。簡単のため、1種の微生物を単離する場合についてのみ説明する。
B. Next, a preferable example of the microorganism isolation method of the present invention will be described. For simplicity, only the case of isolating one type of microorganism will be described.
最初に、所定の微生物を含む微生物供給液を調製する。微生物供給液は、微生物を所定の液体に分散させることにより調製される。液体には、必要に応じて、分散剤(例えば、界面活性剤)等が添加され得る。このプロセスは、従来と同様の手順に従って行われる。一例は以下の通りである。分離源(例えば、土壌)を採取する。土壌1g中に、105〜109個の微生物が存在すると言われている。この微生物濃度が、微生物供給液の濃度や1パルスあたりの供給量を決定する基礎となる。採取した土壌を水に懸濁し、不純物を物理的手段(代表的には、フィルター)で除去する。次いで、不純物を除去した懸濁液を、目的に応じた適切な液体を用いて、所定の濃度まで多段階で希釈して微生物供給液を調製する。微生物を分散させる液体の具体例としては、アルギン酸が挙げられる。アルギン酸を用いる場合には、微生物供給液中の微生物濃度は、好ましくは2×106〜2×109個/mlに設定され得る。この場合の微生物供給液の粘度は、代表的には1〜3cpsである。好ましくは、微生物供給液は、ゲル化材料を含有する。本明細書において、ゲル化材料とは、外部からの物理的および/または化学的な刺激により、自身がゲルを形成し得る材料をいう。ゲル化材料の具体例としては、アルギン酸、カラギーナン、ペクチン、セルロース、シアノアクリレート、多糖アミノ酸カーバメート誘導体、ポリビニルアルコール、ケイ酸ナトリウム、アルキル基含有シリカマトリックスなどが挙げられる。 First, a microorganism supply solution containing predetermined microorganisms is prepared. The microorganism supply liquid is prepared by dispersing microorganisms in a predetermined liquid. A dispersant (for example, a surfactant) or the like can be added to the liquid as necessary. This process is carried out according to the same procedure as before. An example is as follows. Collect a source (eg, soil). It is said that 10 5 to 10 9 microorganisms are present in 1 g of soil. This microorganism concentration is the basis for determining the concentration of the microorganism supply solution and the supply amount per pulse. The collected soil is suspended in water, and impurities are removed by physical means (typically, a filter). Next, the suspension from which impurities have been removed is diluted in multiple stages to a predetermined concentration using an appropriate liquid according to the purpose to prepare a microorganism supply solution. Specific examples of the liquid for dispersing the microorganism include alginic acid. When alginic acid is used, the microorganism concentration in the microorganism supply solution can be preferably set to 2 × 10 6 to 2 × 10 9 cells / ml. In this case, the viscosity of the microorganism supply solution is typically 1 to 3 cps. Preferably, the microorganism supply liquid contains a gelling material. In the present specification, the gelling material refers to a material that can form a gel by physical and / or chemical stimulation from the outside. Specific examples of the gelling material include alginic acid, carrageenan, pectin, cellulose, cyanoacrylate, polysaccharide amino acid carbamate derivative, polyvinyl alcohol, sodium silicate, alkyl group-containing silica matrix and the like.
次に、接触液を調製する。接触液としは、上記微生物供給液と接触して微粒子(代表的には、ゲル状微粒子)を生成し得る任意の適切な液体が採用され得る。代表的には、接触液は、ゲル化開始成分を含む。本明細書において、ゲル化開始成分とは、物理的および/または化学的刺激により上記ゲル化材料のゲル化を引き起こす物質をいう。ゲル化開始成分の具体例としては、塩化カルシウム水溶液が挙げられる。塩化カルシウム水溶液を用いる場合、その粘度は代表的には1〜3cpsである。 Next, a contact liquid is prepared. As the contact liquid, any appropriate liquid capable of generating fine particles (typically, gel-like fine particles) in contact with the microorganism supply liquid can be adopted. Typically, the contact liquid includes a gelation initiating component. In the present specification, the gelation initiating component refers to a substance that causes gelation of the gelled material by physical and / or chemical stimulation. A specific example of the gelation initiation component is an aqueous calcium chloride solution. When using an aqueous calcium chloride solution, the viscosity is typically 1 to 3 cps.
次に、図1に示すような装置を用いる。微生物供給部1aに微生物供給液を入れ、接触液供給部1bに接触液を入れる。微生物供給流路2aにはマイクロポンプで所定の電圧(10KHz、10V)を印加し、パルス状の圧力(液滴形成パルス)を発生させる。このような圧力を発生させることにより、1パルスごとの微生物供給液の供給量を0.5〜10ピコリットルに設定することができる。このようにして、1パルスごとの微生物供給液中に実質的に1個の微生物を含有させることができる。一方、接触液供給流路2bには、例えば50nl/sの流量で整流を発生させ、一定量で連続的に接触液を流す。
Next, an apparatus as shown in FIG. 1 is used. The microorganism supply liquid is put into the microorganism supply part 1a, and the contact liquid is put into the contact liquid supply part 1b. A predetermined voltage (10 KHz, 10 V) is applied to the
次に、微生物供給流路2aと接触液供給流路2bの合流部において、微生物供給液と接触液とを接触させる。そうすると、図4に示したようなメカニズムでゲル状微粒子を生成する。上記のように、1パルスごとの微生物供給液中には実質的に1個の微生物が含まれているので、得られる微粒子中にも実質的に1個の微生物が含まれるようになる。微生物供給液の濃度および1パルスあたりの供給量を制御することにより、任意の適切な数の微生物を微粒子中に含ませることができる。
Next, the microorganism supply liquid and the contact liquid are brought into contact with each other at the junction of the microorganism
このようにして得られた微粒子を回収し、所定の環境で増殖および/または成長させる。このようにすることにより、VBNC状微生物を単離できる可能性が飛躍的に増大し得る。また、既知の微生物に関しても、他の微生物の影響を排除することにより、培養効率を格段に高めることができる。 The microparticles obtained in this way are collected and propagated and / or grown in a predetermined environment. By doing in this way, the possibility that VBNC-like microorganisms can be isolated can be dramatically increased. Further, with respect to known microorganisms, the culture efficiency can be remarkably increased by eliminating the influence of other microorganisms.
本発明に用いられ得る既知の微生物の具体例としては、土壌や河川などの自然環境、生活空間環境、消化管内に存在する真性細菌、古細菌、酵母、遺伝子組換え体が挙げられる。真性細菌の具体例としては、Rhodococcus属、Norcardia属、Alcaligenes属、Lactococcus属、Acetobacter属、Pseudomonas属、Sphingomonas属、Corynebacterium属、Synechococcus属、Botryococcus属、Chlamydomonas属、Zymomonus属、Methanosarcina属、Methylosinus
属、Bachillus属、Gordonia属、Actinobacteria属、放線菌類が挙げられる。酵母の具体例としては、Candida属、Cryptococcus属が挙げられる。遺伝子組換え体の具体例としては、Escherichia
coli、Bachillus subtilisが挙げられる。これらを所定の数(代表的には、実質的に1個)含む微粒子は、各種バイオリアクターにきわめて好適に用いられ得る。このような微粒子によれば、粒子内での拡散が速いので、リアクターの生産効率が格段に向上し得るからである。より具体的には、Rhodococcus属は、例えば油分分解、ニトリル分解、シアノ基加水分解に好適に用いられる。Candida属は、例えば炭化水素の酸化、リパーゼ反応、光学異性化に好適に用いられる。Norcardia属は、例えばシアノ基加水分解に好適に用いられる。Alcaligenes属は、例えばレトロアルドール反応、PHB生成に好適に用いられる。Lactococcus属は、例えばポリ乳酸の原料生成に好適に用いられる。Acetobacter属は、例えばセルロース生成に好適に用いられる。Escherichia
coliおよびBachillus subtilisは、例えば遺伝子組み換え菌株として好適に用いられる。Pseudomonas属およびSphingomonas属は、例えば汚染有機化合物の分解に好適に用いられる。Corynebacterium属は、例えば廃水処理、二酸化炭素の回収に好適に用いられる。Synechococcus属およびBotryococcus属は、例えば光合成(油分合成)に好適に用いられる。Chlamydomonas属は、例えば水素生成に好適に用いられる。Cryptococcus属は、例えばバイオディーゼル製造に好適に用いられる。Zymomonus属は、例えばエタノール生成に好適に用いられる。Methanosarcina属は、例えばメタン生成に好適に用いられる。Methylosinus属は、例えばメタノール生成、塩素化合物生成に好適に用いられる。
Specific examples of known microorganisms that can be used in the present invention include natural environments such as soil and rivers, living space environments, eubacteria, archaea, yeasts, and recombinants present in the digestive tract. Specific examples of eubacteria include Rhodococcus, Norcardia, Alcaligenes, Lactococcus, Acetobacter, Pseudomonas, Sphingomonas, Corynebacterium, Synechococcus, Botryococcus, Chlamydomonas, Zymomonus, Methanosarcina, Methanosarcina,
Examples include genus, Bachillus genus, Gordonia genus, Actinobacteria genus and actinomycetes. Specific examples of yeast include Candida genus and Cryptococcus genus. As a specific example of the gene recombinant, Escherichia
coli and Bachillus subtilis. Fine particles containing a predetermined number (typically, substantially one) of these can be used very suitably for various bioreactors. This is because according to such fine particles, the diffusion in the particles is fast, so that the production efficiency of the reactor can be remarkably improved. More specifically, Rhodococcus genus is suitably used for, for example, oil decomposition, nitrile decomposition, and cyano group hydrolysis. The genus Candida is suitably used for, for example, hydrocarbon oxidation, lipase reaction, and optical isomerization. The genus Norcardia is suitably used, for example, for cyano group hydrolysis. The genus Alcaligenes is preferably used for, for example, retroaldol reaction and PHB generation. The Lactococcus genus is suitably used for producing a raw material for polylactic acid, for example. The genus Acetobacter is suitably used for cellulose production, for example. Escherichia
Escherichia coli and Bachillus subtilis are suitably used, for example, as genetically modified strains. The genus Pseudomonas and the genus Sphingomonas are preferably used, for example, for the decomposition of contaminating organic compounds. Corynebacterium is preferably used for, for example, wastewater treatment and carbon dioxide recovery. The genus Synechococcus and the genus Botryococcus are preferably used for photosynthesis (oil synthesis), for example. The genus Chlamydomonas is preferably used for hydrogen production, for example. The genus Cryptococcus is preferably used for biodiesel production, for example. The genus Zymomonus is preferably used for ethanol production, for example. The Methanosarcina genus is preferably used for methane production, for example. The genus Methylosinus is suitably used for, for example, methanol production and chlorine compound production.
本発明において利用され得る微生物は上記に限定されず、目的に応じて任意の適切な微生物が採用され得る。本発明によって分離された微生物は、種々の物質(例えば、医薬品、診断薬、ファインケミカル、光学活性体、汎用樹脂、エタノール、メタン、油脂)の生産用途;ならびに、排水・下水・生ごみ処理、好気有機廃棄物処理・嫌気有機廃棄物処理による土壌処理などの環境保全・環境浄化・衛生管理に好適に利用され得る。 The microorganisms that can be used in the present invention are not limited to the above, and any appropriate microorganism can be adopted depending on the purpose. Microorganisms isolated by the present invention are used for production of various substances (for example, pharmaceuticals, diagnostics, fine chemicals, optically active substances, general-purpose resins, ethanol, methane, fats and oils); wastewater / sewage / garbage treatment, It can be suitably used for environmental conservation, environmental purification, and hygiene management such as soil treatment by aerobic organic waste treatment and anaerobic organic waste treatment.
本発明の微生物単離装置は、例えば、創薬の材料、食品・化成品などの材料、環境浄化・環境センシング材料などの有用微生物の探索や評価に好適に利用され得る。分離された微生物は、微生物リアクターに好適に利用され得る。 The microorganism isolation device of the present invention can be suitably used for searching and evaluating useful microorganisms such as materials for drug discovery, materials for foods and chemical products, and environmental purification / environmental sensing materials. The separated microorganism can be suitably used for a microbial reactor.
100 微生物単離装置
1a 微生物供給部
1b 接触液供給部
2a 微生物供給流路
2b 接触液供給流路
5 微粒子生成部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
ゲル化開始成分を含み該微生物供給液と接触して微粒子を生成する接触液を含有する、接触液供給部と;
該少なくとも1つの微生物供給部からそれぞれ延び、該微生物供給液が通る少なくとも1つの微生物供給流路と;
該接触液供給部から延び、該接触液が通る接触液供給流路と;
該少なくとも1つの微生物供給流路と該接触液供給流路とが合流して形成され、該微生物供給液と該接触液とを接触させて微粒子を生成する、微粒子生成部とを備え、
該微生物供給流路の断面積に対する該接触液供給流路の断面積の比が2〜50である、
微生物含有微粒子製造装置。 At least one microbial supply, each containing a microbial supply comprising gelling material and a predetermined microorganism;
A contact liquid supply unit comprising a contact liquid that contains a gelling initiation component and that generates fine particles upon contact with the microorganism supply liquid;
At least one microorganism supply channel extending from each of the at least one microorganism supply section and through which the microorganism supply liquid passes;
A contact liquid supply channel extending from the contact liquid supply section and through which the contact liquid passes;
A fine particle generation unit that is formed by joining the at least one microorganism supply channel and the contact liquid supply channel, and that generates fine particles by bringing the microorganism supply liquid and the contact liquid into contact with each other;
The ratio of the cross-sectional area of the contact liquid supply channel to the cross-sectional area of the microorganism supply channel is 2-50.
Microbe-containing microparticle production equipment.
ゲル化開始成分を含み該微生物供給液と接触して微粒子を生成する接触液を含有する、接触液供給部と;
該微生物供給部から延び、該微生物供給液が通る微生物供給流路と;
該接触液供給部から延び、該接触液が通る接触液供給流路と;
該微生物供給流路と該接触液供給流路とが合流して形成され、該微生物供給液と該接触液とを接触させて微粒子を生成する、微粒子生成部とを備え、
該微生物供給流路の断面積に対する該接触液供給流路の断面積の比が2〜50である、
請求項1に記載の微生物含有微粒子製造装置。 One microorganism supply part containing a microorganism supply liquid containing a gelling material and a predetermined microorganism;
A contact liquid supply unit comprising a contact liquid that contains a gelling initiation component and that generates fine particles upon contact with the microorganism supply liquid;
A microorganism supply channel extending from the microorganism supply section and through which the microorganism supply liquid passes;
A contact liquid supply channel extending from the contact liquid supply section and through which the contact liquid passes;
The microbe supply channel and the contact liquid supply flow channel are joined together to form microparticles by bringing the microbe supply liquid and the contact liquid into contact with each other,
The ratio of the cross-sectional area of the contact liquid supply channel to the cross-sectional area of the microorganism supply channel is 2-50.
The microorganism-containing microparticle production apparatus according to claim 1.
ゲル化材料および所定の微生物を含む微生物供給液を調製する工程と;
ゲル化開始成分を含み該微生物供給液と接触して微粒子を生成する接触液を調製する工程と;
該微生物供給液と該接触液とを接触させて微粒子を生成する工程とを含み、
該微生物供給液が通る微生物供給流路の断面積に対する該接触液が通る接触液供給流路の断面積の比が2〜50である、
微生物含有微粒子の製造方法。 A method for producing microbe-containing microparticles using the microbe-containing microparticle production apparatus according to claim 1 or 2,
Preparing a microorganism supply solution containing a gelling material and a predetermined microorganism;
Preparing a contact liquid containing a gelation initiating component and generating fine particles upon contact with the microorganism supply liquid;
A step of bringing the microorganism supply liquid into contact with the contact liquid to produce fine particles,
The ratio of the cross-sectional area of the contact liquid supply passage through which the contact liquid passes to the cross-sectional area of the microorganism supply flow path through which the microorganism supply liquid passes is 2-50.
A method for producing microparticles containing microorganisms.
The method for producing microbe-containing microparticles according to any one of claims 4 to 7 , wherein the predetermined microorganism is at least one selected from the group consisting of eubacteria, archaea, yeast, and a gene recombinant.
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