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めぐのゆのもと
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1 NMR 1,2 1,2 1,2,3 1 NMR TCA TCA X NMR 1) NMR 1 NMR J 1 NMR * 1 [email protected]

2 2 3 NMR 4 J output input 2 input output input input NMR LC/MS GC/MS HMDB LC/MS 127 GC/MS 179 NMR GC/MS 98 LC/MS 108 NMR NMR 2 2) NMR DNA DNA NMR 3) Holmes INTERMAP 4) NMR 2011 Fukuda Nature bifidobacteria

3 3 bifidobacteria acetate 5) 2013 Furusawa Nature T 6) 2014 IgA 7) NMR input output input output input NMR bin 3 NMR 1 H 1 H 1 H 13 C NMR HSQC heteronuclear single quantum coherence 3 NMR PCA PC1 principal component 1 PC

4 PCA PCA input input PLS-DA OPLS-DA SOM selforganizing maps Random Forest STOCSY STOCSY NMR 1 STOCSY Furusawa NMR CH 3 CH 2 NMR BMRB 8) TOCSY TOCCATA 9) HMDB 2) HSQC SpinAssign 10) SpinAssign BLAST NMR BLAST SpinAssign NMR SpinAssign p-value 4 Kato FOS 4 FOS Kato FOS FOS 7) FOS PCA FOS 2D-J HSQC 2 NMR FOS p FOS

5 図 4 FOS 接食変動マーカー解析の実例中央 1D-NMR の実線はコントロール点線は FOS 摂食時を示している FOS 摂食で増減する 1H 化学シフトをローディングプロットで追跡し 2D-J や 13C-HSQC を用いた物質同定を行う p-cresol まで分解できる腸内細菌の増加に伴って IgA 法とは混合成分のスペクトルを繰り返し交互最小自の産生量が増加する現象を確認した乗法を用いて各純成分のスペクトルに分離する手法であこのように代謝混合物を対象とした NMR 分析は代り NMR スペクトルに適用すれば各代謝物由来の化学謝表現型を捉える点で非常に優れており未知の現象をシフト値ピーク強度半値幅を算出することが可能で発見したりあらたなバイオマーカーを探索したりするある NMR の場合繰り返し交互最小自乗法に用いることも可能な非常に強力なツールだといえる次項で関数はガウス関数やローレンツ関数が一般的に使われては混合物シグナルを分離する戦略を詳しく述べることおり MCR 法で純成分のピークを適切に得られればとするそのピークは前述の純成分情報として解析に用いること 5 混合物シグナル分離法するソフトウェアとしては PeakSimulator ASA や竹用いて網羅的に検出可能であるが特に 1 次元 NMR NMR )LW\N 海外などが知られている )LW\N の操作を例としてあげると NMR の各成分ピークが正規分スペクトルにおいては分解能の状態により複数の代謝布になると仮定しピークを追加しながら最小自乗法を物のピーク同士が重なり純成分ピークの正確な化学シ用いて実測スペクトルに近似させてピークを分離するフト値やピーク強度がわからないことがある重なった筆者らも海藻類の固体 NMR のシグナルをピーク分離ピークを純成分のピークとして解析を行いたい場合にはし得られた成分データと無機元素との因果分析によりシグナルの分離を行う必要があるシグナルの分離は主海藻多糖類と金属との関係性を検証した 13) ピーク分離の概略生物の代謝混合物群は NMR をが可能である 12) NMR スペクトルをピーク分離し解析 11) に音声音響信号処理や画像処理で使われている手法であり複数のシグナルが合わさったデータやノイズが含まれたデータから単一のシグナルを抽出する際に用い 6 NMR シグナル帰属に用いるパルス系列固体溶液 NMR 法代謝物の NMR 法で分析の対られるデータ処理技術である波形の状態や分離する象となる核は主に H 核と 13C 核でありそのうちどち目的により種々の数学的統計学的な処理方法がありらを解析するかどのような情報を得ようとするかによその一つの方法として MCR-ALS multivariate curve り分析時に照射するラジオ波パルスパルス系列が resolution-alternating least squares 法があげられる MCR-ALS 法によるピーク分離前述の MCR-ALS 異なる溶液 NMR では水やメタノールなどの可溶化画分を計測することができ固体 NMR では不溶性の生物工学第92巻

6 5 1 NMR 1 H 1 H 1 H 13 C 2 3 NMR NMR NMR 1 H 2 NMR 1 H 1 H NOE 5 13 C 1 H 1 H 1 H 5 NMR 5 1 H NMR 13 C 1D-CP/MAS 4 1D-NQS/MAS 13 C 1 H- 13 C C- 13 C ) 7 NMR 1 H 13 C 1 H- 13 C HSQC BMRB 8) SpinAssign 10) HOSE hierarchical organization of spherical environments 17) CAST/CNMR CANOST autocanonicalization CAST CAnonical 18) 1 SpinAssign 1 H, 13 C BMRB Predict NMR CDK HOSE 1 H, 13 C CAST/CNMR CAST 13 C ChemDraw 1 H, 13 C ACD NMR Gaussian CSGT GIAO GAMESS Q-Chem ORCA GIAO IGLO 1 H, 13 C 1 H, 13 C 1 H, 13 C

7 1 GIAO gauge independent atomic orbital 19) CSGT continuous set of gauge transformations IGLO individual gauge for localized orbitals Gaussian GAMESS Q-Chem ORCA 3 Hartree- Fock 20) GIAO Gaussian PCM polarizable continuum model 8 NMR 10 NMR Nature 21,22) 5,6) 25 23) NMR NMR NMR MACS magic angle coil spinning 24) 1) 55, 320 (2006). 2) Bouatra, S. et al.: PLoS One, 8, e73076 (2013). et al.: Nature, 440, 1073 (2006). 4) Holmes, E. et al.: Nature, 453, 396 (2008). 5) Fukuda, S. et al.: Nature, 469, 543 (2011). 6) Furusawa, Y. et al.: Nature, 504, 446 (2013). 7) Kato, T. et al.: DNA Res., (doi: /dnares/dsu013) (2014). 8) Cui, Q. et al.: Nat. Biotechnol., 26, 162 (2008). 9) Bingol, K. et al.: Anal. Chem., 84, 9395 (2012). et al.: Anal. Chem., 82, 1653 (2010). 11) 2, 81 (2012). 12) Tauler, R.: Chemometr. Intell. Lab. Syst., 30, 133 (1995). 13) Ito, K. et al.: Anal. Chem., 86, 1098 (2014). 14) Mori, T. et al.: Carbohydr. Polym., 90, 1197 (2012). 15) Komatsu, T. and Kikuchi, J.: Anal. Chem., 85, 8857 (2013). 16) Komatsu, T. and Kikuchi, J.: J. Phys. Chem. Lett., 4, 2279 (2013). 17) Bremser, W.: Anal. Chim. Acta, 103, 355 (1978). 18) Satoh, H. et al.: Tetrahedron, 59, 4539 (2003). Phys. Rev., 126, 1028 (1962). 20) Frisch, M. J. et al.: J. Chem. Phys., 80, 3265 (1984). 21) Claesson, M. J. et al.: Nature, 488, 178 (2012). 22) Kettunen, J. et al.: Nat. Genet., 44, 269 (2012). 23) 32, p. 699 (2014). 24) Sakellariou, D. et al.: Nature, 447, 694 (2007)