寒天培地

寒天培地（かんてんばいち）

寒天培地は、その名の通り、寒天を主成分として固められた培地を指します。特に、寒天を一定の濃度（通常1.5%程度）で加えることにより、全体が固形化した状態になったものを指すことが一般的です。微生物学や植物学の分野において、多種多様な微生物や細胞を研究室で増殖・維持させるために不可欠な材料として広く活用されています。培養対象となる生物種や研究の目的に応じて、様々な組成の寒天培地が開発され、使い分けられています。

寒天培地の歴史的背景

微生物培養の初期には、栄養分を含む水溶液である液体培地が主に利用されていました。しかし、液体培地には一つの大きな弱点がありました。それは、意図しない微生物（雑菌）が混入（コンタミネーション）しやすい点です。混入自体を防ぐことは困難ですが、液体中で雑菌が繁殖してもその存在に気づきにくく、また一度混入してしまうと目的の微生物から雑菌だけを取り除くことや、逆に目的の微生物をそこから純粋に取り出すことが極めて難しいという問題がありました。

この問題を解決するために考案されたのが固体培地です。固体培地の表面に微生物が付着して増殖した場合、多くの場合、その場所を中心として集落（コロニー）を形成します。これにより、雑菌のコロニーを発見しやすくなり、その部分だけを取り除いてコンタミを排除したり、あるいは目的の微生物のコロニーだけを選び取って新たな培地に移し、純粋な状態で培養し直すことが可能になりました。

固体培地を実現する方法として、当初はゼラチンなども試みられましたが、やがて寒天が培養培地の固体化に極めて適していることが発見され、広く利用されるようになりました。この固体培養技術の確立と並行して、寒天培地を平らに流し込んで使用する容器として、ロベルト・コッホの研究室でシャーレ（ペトリ皿）が開発されました。これらの改良は、微生物学の発展に大きく貢献しました。

寒天培地の優れた特性

寒天が微生物研究における培地の固体化剤として重宝されるのには、いくつかの顕著な理由があります。

多様な成分との適合性: 寒天は、pHを極端に変えない限り、多くの水溶性物質と容易に混ざり合い、共に固まる性質を持ちます。これにより、様々な組成の液体培地を、寒天を加えることで固体培地として利用できるようになります。
微生物による分解への耐性: 寒天を栄養源として利用し、分解する能力を持つ微生物はごく少数です。このため、培地として使用している途中で寒天が分解されて液状に戻ってしまうことが少なく、安定した固体状態を保てます。
高温での安定性: 寒天は高温でも化学的に安定しており、培地成分と共にオートクレーブ（通常121℃での高圧蒸気滅菌）による滅菌処理が可能です。加熱によって分解されにくいため、副生成物が発生しにくく、また元々純度の高いものが得やすいため、培養結果への影響が少ないです。
透明性と加工性: 高純度の寒天は無色透明であるため、培地上で生育する微生物の様子を詳細に観察するのに非常に便利です。また、適度な弾力と硬さがあり、刃物で切り分けたり、表面を削ったりといった加工もしやすいです。これにより、コンタミネーションが起きた場合もその部分だけを除去したり、目的のコロニーを切り取ったりすることが容易になります。
融解・凝固温度: 寒天は約96℃で融解し、60℃以下に冷えると固まります。比較的低温で固化する性質は重要で、固まる直前に生きた微生物を寒天に混ぜ込んでから固める「混釈培養法」を可能にします。これは、土壌中の細菌数測定などで利用される技術です。
実質的な非栄養源: 寒天自体は多糖類ですが、ほとんどの生物によって分解・利用されないため、培地中の実質的な栄養源とはなりません。培地としての機能は、寒天以外の添加された栄養成分に依存します。

これらの優れた特性を活かして、寒天は微生物培養だけでなく、発生学における局所生体染色や植物生理学におけるオーキシンの移動観察実験など、様々な生物研究の場面で道具として活用されてきました。

寒天培地の種類と用途

寒天培地は、その状態や形状、目的に応じて多様に分類されます。

寒天濃度による分類

固形培地: 寒天濃度が約1.5%と高く、完全に固まっています。微生物の分離やコロニー形成に最も一般的です。
半流動培地: 寒天濃度が0.2〜0.4%と低く、ゼリーのような半固体状態です。微生物の運動性確認や、酸素濃度勾配を利用した培養などに用いられます。

形状・容器による分類

平板培地: シャーレに流し込んで固めた、平らな培地です。微生物の分離、単離、コロニー観察に最も頻繁に使用されます。
斜面培地（スラント）: 試験管内で斜めに固めた培地です。表面積を広く取れるため、好気性微生物の純粋培養や保存に適しています。
半斜面培地: 試験管内の培地の一部が斜面になったものです。TSI寒天培地など、特定の鑑別培地に見られます。
高層培地: 試験管を立てたまま固めた培地です。半流動タイプは、底部の嫌気的な環境を利用した培養や、運動性、酸素要求性の確認に用いられます。

使用目的による分類

分離培地: 野外試料などから特定の微生物を分離するために使用されます。
培養培地: 純粋分離した微生物株を増殖・維持するために使用されます。
鑑別培地: 特定の微生物が生化学的な反応を示すことを利用して、微生物の種類を見分けるために使用されます。
選択分離培地: 特定の微生物のみが増殖するために必要な栄養源を含んだり、他の微生物の増殖を抑える成分を含んだりしており、特定の微生物だけを選択的に分離するのに用いられます。

寒天培地の作製と利用

寒天培地は、精製水に所定の培地成分（栄養源、無機塩類、必要に応じて選択剤など）と寒天を加え、加熱して寒天を完全に溶解させた後、適切な容器に分注し、滅菌（通常オートクレーブ）して固化させることで作られます。滅菌後に冷却してシャーレに流し込めば平板培地、試験管に分注して斜めに立てかければ斜面培地、立てたまま固めれば高層培地となります。保存や移送には試験管培地が便利なため、必要な分だけ溶かして平板培地にする方法もよく行われます。

培養にあたっては、目的の微生物を含む試料や純粋培養株を、白金耳などの接種器具を用いて培地表面に塗り広げる「表面塗抹法」や、寒天が固まる前に微生物を混ぜ込む「混釈培養法」などが一般的に用いられます。高層培地の場合は、培地中に穿刺して接種することもあります。培養後、微生物は増殖してコロニーを形成し、その形状や色、培地の変化などから微生物の性質を観察したり、単離したりします。混釈培養や穿刺培養では、培地内の異なる酸素環境での生育状況や、半流動培地中での運動性を確認することができます。

分子生物学分野では、抗生物質耐性遺伝子を持つプラスミドを導入した大腸菌を選別するために、抗生物質を含む選択寒天培地が用いられます。形質転換された大腸菌のみが培地上で生育し、コロニーを形成します。この際、菌液を培地表面に均一に広げるためにスプレッダーが使われることもあります。

使用済み培地の適切な処理

使用済みの寒天培地には、培養によって増殖した大量の微生物が含まれています。病原性の有無に関わらず、医学的・環境衛生的な観点から、これらを適切に滅菌処理してから廃棄することが義務付けられています。小規模な場合は、耐熱容器に入れた培地をオートクレーブで滅菌処理します。滅菌後は生きた微生物は含まれていませんが、寒天が溶けて再び固まる前に多量の水で洗い流すか、耐熱性の袋に入れて固形廃棄物として処理（多くの場合焼却）します。

代表的な寒天培地の例

研究対象や目的に応じて、様々な組成の寒天培地が利用されています。

細菌用: 普通寒天培地（一般的）、SCD寒天培地（広範囲）、チョコレート寒天培地・血液寒天培地（栄養要求菌、溶血性確認）、GAM寒天培地（嫌気性菌）、マンニット食塩培地（ブドウ球菌選択）、SS寒天培地（サルモネラ・シゲラ選択）、マッコンキー寒天培地（腸内細菌科選択）、TCBS寒天培地（腸炎ビブリオ選択）、TSI寒天培地（腸内細菌科鑑別）、SIM培地（腸内細菌科鑑別、運動性）、ミュラー・ヒントン寒天培地（薬剤感受性試験）、LB寒天培地（大腸菌培養）。
真菌用: 素寒天培地（栄養なし）、麦芽エキス寒天培地（一般的、保存）、PDA培地（一般的、菌糸生育促進）、サブロー寒天培地（真菌増殖促進）、コーンミール寒天培地（胞子形成促進、カンジダ鑑別）、ツァペック寒天培地（合成培地）、YpSs寒天培地（下等菌類、卵菌類）、SMS培地（ケカビ類）、MY20寒天培地（好稠性カビ）、V8ジュース寒天培地（エキビョウキン、卵胞子形成）。
* 植物用: MS寒天培地（植物組織・カルス培養）。

これらの培地は、それぞれの目的に最適な成分組成と状態に調整されており、微生物や細胞の研究を支える上で不可欠なツールとなっています。

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