JP6550243B2 - 培養装置及び培養方法 - Google Patents

Description

本発明は、光合成を行う生物、若しくはその一部、又は細胞を培養するための培養装置及び培養方法に関する。

藻類の生体微弱発光（遅延発光）を利用して、化学物質が環境に与える影響を迅速に評価し得る試験法として、藻類発光阻害試験法の開発が進められている（例えば、特許文献１〜３参照）。藻類発光阻害試験法では、藻類を含む溶液を収容する光透過性の容器（例えば、試験管等）が試料として用いられる。

特許第５５８８４５７号公報 特許第４８１３２０６号公報 特許第４６９９２１４号公報

上述したような藻類発光阻害試験法においては、複数の試料について均一な条件下で藻類を培養する必要がある。

そこで、本発明は、複数の試料について均一な条件下で、光合成を行う生物、若しくはその一部、又は細胞を培養することができる培養装置及び培養方法を提供することを目的とする。

本発明の培養装置は、光合成を行う生物、若しくはその一部、又は細胞を含む溶液を収容する光透過性の容器を試料として保持する複数の保持部と、保持部のそれぞれの位置を互いに異なる位置に順次に且つ周期的に移動させる移動機構と、保持部のそれぞれを振とうさせる振とう機構と、を備える。

この培養装置では、光合成を行う生物、若しくはその一部、又は細胞（以下、場合によっては「生物等」という）を含む溶液を収容する光透過性の容器を試料として保持する複数の保持部のそれぞれの位置が、移動機構によって互いに異なる位置に順次に且つ周期的に移動させられる。そのため、複数の試料間において光源による光の照射状態が均一化される。更に、試料を保持する複数の保持部のそれぞれが、振とう機構によって振とうさせられる。そのため、複数の試料のそれぞれにおいて生物等が攪拌される。よって、この培養装置によれば、複数の試料について均一な条件下で、光合成を行う生物、若しくはその一部、又は細胞を培養することができる。

本発明の培養装置では、保持部のそれぞれは、第１ラインを中心線とする第１円周上に配列されており、移動機構は、第１円周に沿って保持部のそれぞれを移動させ、振とう機構は、第１ラインとは異なる第２ラインを中心線とする第２円周に沿って移動機構を移動させてもよい。この構成によれば、複数の試料間における光の照射状態の均一化、及び複数の試料のそれぞれにおける生物等の攪拌を効率良く実現することができる。

本発明の培養装置は、第１ラインの角度を変更する角度変更機構を更に備えてもよい。この構成によれば、複数の試料について、光の照射状態を調整したり、生物等の攪拌状態を調整したりすることができる。

本発明の培養装置では、保持部のそれぞれは、第１ラインの反対側に位置する開口部を有する保持部材であってもよい。この構成によれば、複数の試料のそれぞれにおいて光の照射領域を増加させることができる。

本発明の培養装置では、移動機構は、第１駆動モータを有し、振とう機構は、第１駆動モータとは異なる第２駆動モータを有してもよい。この構成によれば、簡易な構造で、移動機構による保持部の移動動作、及び振とう機構による保持部の振とう動作を好適に実現することができる。

本発明の培養装置は、試料に光を照射する光源を更に備えてもよい。この構成によれば、複数の試料について好適な光の照射状態を容易に且つ確実に実現することができる。

本発明の培養方法は、光合成を行う生物、若しくはその一部、又は細胞を含む溶液を収容する光透過性の容器を試料として複数用意する第１工程と、光源から試料に光を照射しつつ、試料のそれぞれの位置を互いに異なる位置に順次に且つ周期的に移動させると共に、試料のそれぞれを振とうさせる第２工程と、を備える。

この培養方法では、複数の試料のそれぞれの位置が互いに異なる位置に順次に且つ周期的に移動させられるため、複数の試料間において光源による光の照射状態が均一化される。更に、複数の試料のそれぞれが振とうさせられるため、複数の試料のそれぞれにおいて生物等が攪拌される。よって、この培養方法によれば、複数の試料について均一な条件下で、光合成を行う生物、若しくはその一部、又は細胞を培養することができる。

本発明によれば、複数の試料について均一な条件下で、光合成を行う生物、若しくはその一部、又は細胞を培養することができる培養装置及び培養方法を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態の培養装置の斜視図である。 図１の培養装置の側面図である。 図１の培養装置の振とう機構の平面図である。 培養装置の設置面の垂線に対して第１ラインが成す角度と、第２円周に沿った移動機構の回転速度の上限値との関係の一例を示すグラフである。 図１の培養装置の振とう機構に用いられる駆動偏心軸、及びその変形例である駆動クランク軸の側面図である。 実験における試料の配置を示す図である。 実験結果としての発光量を示す図である。 実験結果としての粒子数を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１及び図２に示されるように、培養装置１は、複数の保持部材（保持部）２と、移動機構３と、角度変更機構４と、振とう機構５と、を備えている。培養装置１は、光源（図示省略）から複数の試料Ｓ（藻類を含む溶液を収容する光透過性の容器Ｔ）に光を照射することで、各試料Ｓにおいて藻類を培養するための装置である。なお、培養装置１において藻類が培養された試料Ｓは、例えば藻類発光阻害試験法において用いられる。

各保持部材２は、側壁の一部が開いた管状の部材であり、容器Ｔの外表面に沿うように形成されている。各保持部材２は、弾性変形によって試料Ｓを保持する。各保持部材２は、第１ラインＬ１を中心線とする第１円周Ｃ１上に配列されており、第１ラインＬ１の反対側（すなわち、外側）に開口部２ａが位置するように、取付部材６を介して移動機構３の回転板３１上に取り付けられている。容器Ｔが試験管である場合、各容器Ｔは、その開口部が回転板３１に対して上側に位置した状態で、回転板３１に対して垂直に立設される。

移動機構３は、上述した回転板３１に加え、第１ラインＬ１を中心線として回転板３１に取り付けられた回転軸３２と、回転軸３２に接続された第１駆動モータ３３と、第１駆動モータ３３等を収容する筐体３４と、を有している。移動機構３は、第１駆動モータ３３の動力によって回転軸３２及び回転板３１を回転させることで、第１円周Ｃ１に沿って各保持部材２を移動させる。このようにして、移動機構３は、各保持部材２の位置を互いに異なる位置に順次に且つ周期的に移動させる。一例として、移動機構３は、１〜６０ｒｐｍの回転速度で、半径７５ｍｍの第１円周Ｃ１に沿って各保持部材２を移動させる。なお、回転板３１に対する回転軸３２の取付部分には、回転によって回転板３１の固定が緩むのを防止するために、Ｏリングが配置されている。

角度変更機構４は、第１ラインＬ１の角度が変更可能となるように、移動機構３を支持している。角度変更機構４では、培養装置１の設置面の垂線に対して第１ラインＬ１が成す角度Ｘが所望の角度に変更された状態で、固定つまみ４１が締められることで、角度変更機構４に対して移動機構３が固定される。

図３に示されるように、振とう機構５は、第１駆動モータ３３とは異なる第２駆動モータ５１と、第２駆動モータ５１に接続された駆動偏心軸５２と、駆動偏心軸５２に平行に配置された一対の従動偏心軸５３と、駆動偏心軸５２及び一対の従動偏心軸５３に支持された出力板５４と、第２駆動モータ５１等を収容する筐体５５と、を有している。出力板５４は、第１ラインＬ１とは異なる第２ラインＬ２を中心線とする第２円周Ｃ２に沿って移動可能となるように、駆動偏心軸５２及び一対の従動偏心軸５３に支持されている。

振とう機構５は、第２駆動モータ５１の動力によって駆動偏心軸５２を回転させることで、第２円周Ｃ２に沿って出力板５４を移動させる。これにより、出力板５４に取り付けられた角度変更機構４、及び角度変更機構４に取り付けられた移動機構３が、第２円周Ｃ２に沿って移動させられる。このようにして、振とう機構５は、各保持部材２を振とうさせる。一例として、振とう機構５は、１７０〜１９０ｒｐｍの回転速度で、半径５ｍｍの第２円周Ｃ２に沿って移動機構３を移動させる。このように、第２円周Ｃ２に沿った移動機構３の回転速度は、第１円周Ｃ１に沿った各保持部材２の回転速度よりも大きい。また、第２円周Ｃ２に沿った移動機構３の回転半径は、第１円周Ｃ１に沿った各保持部材２の回転半径よりも小さい。

なお、第２駆動モータ５１と駆動偏心軸５２とは、プーリ５６ａ，５６ｂ及びベルト５７を介して接続されており、ベルト５７には、テンショナ５８によって所定のテンションが付与されている。また、駆動偏心軸５２と出力板５４との間、及び各従動偏心軸５３と出力板５４との間には、ベアリング５９が配置されている。

図１及び図２に示されるように、振とう機構５の筐体５５は、培養装置１の設置面に配置されるベース部を構成している。筐体５５の前面には、操作部７が設けられている。操作部７は、電源スイッチと、第１円周Ｃ１に沿った各保持部材２の回転速度及び第２円周Ｃ２に沿った移動機構３の回転速度のそれぞれを調節するための複数の調節つまみと、を有している。筐体５５の底面には、培養装置１から設置面への振動の伝播を抑制する複数のクッション材８が設けられている。その他、筐体５５には、ＡＣアダプタの接続部等が設けられている。

筐体５５には、各駆動モータ３３，５１の動作を制御するためのエンコーダ等を含む制御回路９が収容されている。制御回路９は、第１円周Ｃ１に沿って少なくとも一方向に各保持部材２が移動するように、第１駆動モータ３３を制御する。制御回路９は、第１円周Ｃ１に沿った各保持部材２の移動方向が一方向と他方向とに周期的に切り替わるように、第１駆動モータ３３を制御することが可能である。

制御回路９は、第２円周Ｃ２に沿って少なくとも一方向に移動機構３が移動するように、第２駆動モータ５１を制御する。制御回路９は、第２円周Ｃ２に沿った移動機構３の回転速度が直ちに或いは徐々に設定値となうように、第２駆動モータ５１を制御する。制御回路９は、培養装置１の設置面の垂線に対して第１ラインＬ１が成す角度Ｘに応じて、第２円周Ｃ２に沿った移動機構３の回転速度の上限値Ｙを設定することが可能である。上限値Ｙは、試料Ｓにおいて容器Ｔの開口部を塞ぐ蓋体に、容器Ｔに収容された溶液が触れないように、設定される。図４に示されるように、角度Ｘと上限値Ｙとの関係は、線形近似することができる。なお、角度Ｘは、例えば移動機構３に設けられた傾斜検出センサによって検出される。

以上のように構成された培養装置１では、まず、複数の試料Ｓ（藻類を含む溶液を収容する光透過性の容器Ｔ）が用意される（第１工程）。続いて、光源（図示省略）から試料Ｓに光が照射されつつ、移動機構３によって各試料Ｓの位置が互いに異なる位置に順次に且つ周期的に移動させられると共に、振とう機構５によって各試料Ｓが振とうさせられる（第２工程）。

このように、培養装置１では、各試料Ｓの位置が互いに異なる位置に順次に且つ周期的に移動させられるため、光源の種類に依らずに、複数の試料Ｓ間において光源よる光の照射状態が均一化される。更に、各試料Ｓが振とうさせられるため、各試料Ｓにおいて藻類が攪拌される。よって、培養装置１によれば、複数の試料Ｓについて均一な条件下で藻類を培養することができる。培養装置１は、試料Ｓ中の藻類について、一般的な藻類を用いた培養試験（ＯＥＣＤテストガイドライン２０１（ＴＧ２０１）等）に求められる均質且つ良好な生長を達成することができる。具体的には、細胞の増加速度が高い（ＴＧ２０１では０．９２day^−１以上が必要とされる）、試料間の生長速度のばらつきが小さい（ＴＧ２０１では変動係数が７〜１０％以内とされている）等が挙げられる。

また、培養装置１では、移動機構３が、第１ラインＬ１を中心線とする第１円周Ｃ１に沿って各保持部材２を移動させ、振とう機構５が、第２ラインＬ２を中心線とする第２円周Ｃ２に沿って移動機構３を移動させる。この構成によれば、複数の試料Ｓ間における光の照射状態の均一化、及び各試料Ｓにおける藻類の攪拌を効率良く実現することができる。

また、培養装置１では、角度変更機構４によって第１ラインＬ１の角度が変更可能となっている。この構成によれば、複数の試料Ｓについて、光の照射状態を調整したり、藻類の攪拌状態を調整したりすることができる。培養装置１の設置面の垂線に対して第１ラインＬ１を傾斜させた場合に奏される効果は、次のとおりである。すなわち、容器Ｔ中において空気に触れる溶液の表面積を増加させて、藻類の生長に必要な二酸化炭素を効率良く溶液に取り込ませることができる。また、溶液における光の照射領域を増加させることができる。更に、容器Ｔの底部の形状が全周において同じでない場合に、溶液に複雑な波が生じ易くなるため、藻類をより均一に攪拌することができる。

また、培養装置１では、各保持部材２が、第１ラインＬ１の反対側に位置する開口部２ａを有している。この構成によれば、各試料Ｓにおいて光の照射領域を増加させることができる。

また、培養装置１では、移動機構３が第１駆動モータ３３を有しており、振とう機構５が第２駆動モータ５１を有している。この構成によれば、簡易な構造で、移動機構３による保持部材２の移動動作、及び振とう機構５による保持部材２の振とう動作を好適に実現することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、培養装置１及び培養方法は、藻類に限定されず、光合成を行う生物、若しくはその一部、又は細胞を培養の対象とすることができる。つまり、培養装置１及び培養方法は、光合成を行う生物、若しくはその一部、又は細胞を含む溶液を収容する光透過性の容器を試料とすることができる。また、振とう機構５は、移動機構３を円運動させるものに限定されず、移動機構３を楕円運動させたり、或いは、往復直線運動させたりするものであってもよい。

また、試料Ｓに光を照射する光源を培養装置１が備えていてもよい。この構成によれば、複数の試料Ｓについて好適な光の照射状態を容易に且つ確実に実現することができる。

また、上記実施形態では、振とう機構５に、図５の（ａ）に示される駆動偏心軸５２が用いられていたが、これに代えて、図５の（ｂ）に示されるクランク軸６１が用いられてもよい。図５の（ａ）に示されるように、上述した駆動偏心軸５２は、プーリ５６ａ，５６ｂ及びベルト５７を介して第２駆動モータ５１と接続された軸部５２ａと、軸部５２ａの中心線と異なる中心線を有するカム部５２ｂと、を備えている。出力板５４は、このカム部５２ｂにベアリング５９を介して接続されている。一方、図５の（ｂ）に示されるように、クランク軸６１は、プーリ５６ａ，５６ｂ及びベルト５７を介して第２駆動モータ５１と接続された軸部６１ａと、軸部６１ａの中心線と異なる中心線を有する軸部６１ｂと、を備えている。出力板５４は、この軸部６１ｂにベアリング５９を介して接続されている。

最後に、実験結果について説明する。藻類発光阻害試験法のプロトコルに従って、４つの条件下で２４時間培養を行い、２４時間培養後の発光量及び粒子数について調査した。ここで、発光量とは、藻類発光阻害試験法で計測する遅延発光の発光量積算値である。また、粒子数とは、藻類の細胞密度（cells／ｍｌ）である。

第１条件は、上述した培養装置１を用いて、第１円周Ｃ１に沿った各保持部材２の回転（すなわち、各試料Ｓの位置の順次且つ周期的移動）、及び第２円周Ｃ２に沿った移動機構３の回転（すなわち、各試料Ｓの振とう）を行わないという条件である（以下、「対照区」という）。第２条件は、上述した培養装置１を用いて、各試料Ｓの位置の順次且つ周期的移動を行わず、各試料Ｓの振とうを行うという条件である（以下、「Orbital」という）。第３条件は、上述した培養装置１を用いて、各試料Ｓの位置の順次且つ周期的移動を行い、各試料Ｓの振とうを行わないという条件である（以下、「Wheel」という）。第４条件は、上述した培養装置１を用いて、各試料Ｓの位置の順次且つ周期的移動、及び各試料Ｓの振とうを行うという条件である（以下、「ダブルシェイク」という／実施例）。

上述した４つの条件用に、同一の凍結藻類キットから試料Ｓを６つずつ調製し、図６に示されるように、培養装置１に６つの試料Ｓ１〜Ｓ６をセットして、４つの条件ごとに２４時間培養を行った。２４時間培養では、培養装置１をインキュベータ内に入れ、上部に設置した白色蛍光灯から各試料Ｓ１〜Ｓ６に光を照射した。このとき、培養装置１は、インキュベータ内のやや左側に設置されたため、上部に設置された白色蛍光灯からの光量は、試料Ｓ６側よりも試料Ｓ２側の方が多かった。

実験結果として、図７の（ａ）に、２４時間培養後の試料Ｓ１〜Ｓ６の発光量を示し、図７の（ｂ）に、当該発光量の平均値、標準偏差（ＳＤ）及び変動係数（ＣＶ）を示す。また、図８の（ａ）に、２４時間培養後の試料Ｓ１〜Ｓ６の粒子数を示し、図８の（ｂ）に、当該粒子数の平均値、標準偏差（ＳＤ）及び変動係数（ＣＶ）を示す。

まず、ダブルシェイクとOrbitalとを比較すると、試料Ｓ１，Ｓ２については、発光量及び粒子数は、ダブルシェイクとOrbitalとで近い値となった。試料Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５については、発光量及び粒子数は、ダブルシェイクよりもOrbitalのほうが低い値となった。試料Ｓ６については、発光量は、ダブルシェイクとOrbitalとで近い値となったが、粒子数は、ダブルシェイクよりもOrbitalのほうが低い値となった。試料Ｓ５，Ｓ６については、粒子数は、Orbitalと対照区とで近い値となった。

また、ダブルシェイクとOrbitalとを比較すると、試料Ｓ１〜Ｓ６の発光量の平均値、及び試料Ｓ１〜Ｓ６の粒子数の平均値に、大きな差は認められなかった。試料Ｓ１〜Ｓ６の発光量の変動係数、及び試料Ｓ１〜Ｓ６の粒子数の変動係数は、ダブルシェイクよりもOrbitalのほうが大きな値となり、粒子数の変動係数については、２０％を超えた。

次に、ダブルシェイクとWheelとを比較すると、試料Ｓ１〜Ｓ６について、発光量及び粒子数は、ダブルシェイクよりもWheelのほうが低い値となった。試料Ｓ１〜Ｓ６の発光量の変動係数、及び試料Ｓ１〜Ｓ６の粒子数の変動係数は、ダブルシェイクとWheelとで５％を下回った。

以上のように、ダブルシェイク（培養方法の実施例）は、Orbital、Wheel及び対照区のいずれ（培養方法の比較例）よりも、複数の試料Ｓ１〜Ｓ６について均一な条件下で藻類を培養することができることが分かった。

１…培養装置、２…保持部材（保持部）、２ａ…開口部、３…移動機構、４…角度変更機構、５…振とう機構、３３…第１駆動モータ、５１…第２駆動モータ、Ｌ１…第１ライン、Ｌ２…第２ライン、Ｃ１…第１円周、Ｃ２…第２円周、Ｔ…容器、Ｓ…試料。

Claims (6)

1. 光合成を行う生物、若しくはその一部、又は細胞を含む溶液を収容する光透過性の容器を試料として保持する複数の保持部と、
   前記保持部のそれぞれを移動させることで、前記保持部のそれぞれの位置を互いに異なる位置に順次に且つ周期的に移動させる移動機構と、
   前記移動機構を移動させることで、前記保持部のそれぞれを振とうさせる振とう機構と、
   前記振とう機構に対する前記移動機構の角度を変更する角度変更機構と、を備える、培養装置。
2. 前記保持部のそれぞれは、第１ラインを中心線とする第１円周上に配列されており、
   前記移動機構は、前記第１円周に沿って前記保持部のそれぞれを移動させ、
   前記振とう機構は、前記第１ラインとは異なる第２ラインを中心線とする第２円周に沿って前記移動機構を移動させる、請求項１記載の培養装置。
3. 前記角度変更機構は、前記第２ラインに対する前記第１ラインの角度を変更する、請求項２記載の培養装置。
4. 前記保持部のそれぞれは、前記第１ラインとは反対側に位置する開口部を有する保持部材である、請求項２又は３記載の培養装置。
5. 前記移動機構は、第１駆動モータを有し、
   前記振とう機構は、前記第１駆動モータとは異なる第２駆動モータを有する、請求項１〜４のいずれか一項記載の培養装置。
6. 前記試料に光を照射する光源を更に備える、請求項１〜５のいずれか一項記載の培養装置。

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