WORLD FOOD SAFETY DAY WILL BE CELEBRATED BY THE UNITED NATIONS ON TUESDAY, JUNE 7TH. FOR THE OCCASION, THE STRATEGIC ALLIANCE OF CATHOLIC RESEARCH UNIVERSITIES HAS GATHERED THE OPINIONS OF ITS EXPERTS ON THE TOPIC

食の安全のための細菌の選択的検出と識別

上智大学理工学部　早下 隆士 教授、江馬 一弘 教授、神澤 信行 教授、橋本 剛 教授

食の安全にとって、食中毒を引き起こす菌を検出し特定するのは重要な課題です。食品業界では一般的に食中毒菌汚染を予防するため、食品製造工程で合成保存料や抗生物質が使用されています。しかし、抗生物質の過剰な使用や不適切な使用により、細菌が抗菌剤への耐性を持つようになり、食中毒の増加予防が困難になっています。実際、抗生物質の過剰な使用によって多剤耐性菌の発生が加速しており、ここ10年間では世界的な問題になっています。抗生物質を濫用することによって想定外の細菌の遺伝子変異が誘発されてしまうため、持続可能な発展目標を達成するためには、限定的な抗生物質の使用が重要となってきます。既存の細菌識別方法では細菌培養に数日を要したり高価な試薬を必要としたりするため、抗生物質の具体的な投与量を判断することができる細菌識別方法が必要とされています。

この問題に関心を寄せる多くの研究グループによって、新しい細菌の識別方法や微生物因子の研究が行われてきました。細菌の表面には特定の糖脂質が存在するため、糖認識はその解決策となる可能性があります。特にフェニルボロン酸は、糖のシスジオールと結合するため糖認識部位として知られています。2019年、我々の研究チームは、末端に5つのフェニルボロン酸基を持つ化学修飾ポリアミドアミン（PAMAM）デンドリマーによって細菌を認識できることを報告しました。B-PAMAMデンドリマープローブは、グラム陽性菌に対して選択性を示しました。細菌とプローブの間に凝集体が形成され、その結果、濁度が変化することで、認識を確認することができます。

この結果をもとに、さらにB-PAMAMに蛍光ダンシル基を導入し、蛍光測定の感度を向上させることができました。最近では、PAMAMデンドリマープローブを使ったグラム陽性菌の簡便かつ選択的な検出法も開発しました。ジピコリルアミン（dpa）とフェニルボロン酸基で修飾したデンドリマーは、黄色ブドウ球菌に対して優れた選択性を示しました。本研究は、合成分子と細菌表面の相互作用の解明に役立つと期待されています。また、この新手法は様々な細菌を迅速かつ種特異的に識別し、食の安全に貢献する可能性があります。

Selective Detection and Discrimination of Bacteria for Food Safety

Written by Takashi Hayashita, Takeshi Hashimoto, Nobuyuki Kanzawa, and Kazuhiro Ema, Faculty of Science and Technology

For Food Safety, the detection and identification of bacteria that cause food poisoning is an important issue. The food industry generally uses synthetic preservatives and antibiotics in the food manufacturing process to prevent contamination with food poisoning bacteria. However, overuse and improper use of antibiotics have led to the emergence of bacterial drug resistance, making it difficult to prevent an increase in food poisoning.　In fact, multidrug-resistant bacteria, the development of which has been accelerated by the excessive use of antibiotics, has become a global issue in the past decade. As the abuse of antibiotics stimulates undesired genetic mutations in bacteria, specific antibiotic usage is important from the standpoint of achieving sustainable development goals. The need for a bacterial recognition method that would enable the determination of the specific dose of an antibiotic is apparent because existing bacterial recognition methods require several days for bacterial culture or expensive reagents.

This problem has attracted the interest of many research groups, and novel bacterial recognition methods or microbial agents have been studied. Saccharide recognition offers a potential solution because bacteria have specific glycolipids on their surface. Phenylboronic acid in particular is known as a saccharide recognition site because it forms a bond with the cis-diol of saccharides. In 2019, our research team reported that a chemically modified poly(amidoamine) (PAMAM) dendrimer having five phenylboronic acid groups at the terminus was able to recognize bacteria. The B-PAMAM dendrimer probe showed selectivity toward Gram-positive bacteria. The recognition was observed as the aggregate formation between bacteria and probe, which resulted in turbidity change. Based on the results, we additionally introduced a fluorescent dansyl group on B-PAMAM and were able to achieve sensitivity improvement in fluorescence measurements. Recently we have also developed a convenient and selective method for the detection of Gram-positive bacteria using a PAMAM dendrimer probe. The dendrimer that was modified with dipicolylamine (dpa) and phenylboronic acid groups showed the superior selectivity toward Staphylococcus aureus. Our study is expected to contribute to the elucidation of the interaction between synthetic molecules and bacterial surface. Moreover, our novel method showed potential for the rapid and species-specific recognition of various bacteria for Food Safety.