自然環境の時空間変動を評価するバイオマーカー探索技術の創製

• 研究課題/領域番号: 25513012
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: オミクス計測科学
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 菊地 淳 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, チームリーダー (00321753)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2015年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2014年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2013年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: NMR / 環境分析 / マイクロバイオーム / メタボローム / イオノーム / データサイエンス / 機械学習 / 共生システム / 複合微生物叢 / バイオマス / 栄養代謝 / 微生物発酵 / データ駆動型アプローチ / 元素分析 / ネットワーク解析 / パイロシーケンス

研究成果の概要

我々は着目する環境中から採取した各種生物および地理学的試料から、未精製試料を各種分析機器で得たビッグデータを統合解析し、時空間の特徴抽出を行う手法を構築してきた。河口底泥, 水中プランクトン、魚類と腸内細菌叢、海藻類や、さらに水産廃棄物の再資源化手法として作物成長促進の可能性について、有機物群、無機物群および微生物群集の分析データを統合解析し地理的特性や“旬”としての季節特性を見出す手法を報告してきた。
最終年度では、従来多用してきた線形的な相関関係あるいは分子および微生物ネットワークを記述する手法のみならず、機械学習手法やマーケットバスケット解析等の情報解析技術高度化も達成できた。

研究成果

• [雑誌論文] Artificial Autopolyploidization Modifies the Tricarboxylic Acid Cycle and GABA Shunt in Arabidopsis thaliana Col-0 (2016)
  • 著者名/発表者名: Vergara, F. Kikuchi, J. Breuer, C.
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: XX
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] The effect of molecular conformation on the accuracy of theoretical 1H and 13C chemical shifts calculated by ab initio methods for NMR-based metabolomics databases (2016)
  • 著者名/発表者名: Chikayama, E., Shinbo, Y., Komatsu, K. and Kikuchi, J.*
  • 雑誌名: J. Phys. Chem 巻: 120 号: 14 ページ: 3479-3487
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.5b12748
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structure and metabolic flow analysis of molecular complexity in 13C-labeled tree by 2D and 3D-NMR (2016)
  • 著者名/発表者名: Komatsu, T., Ohishi, R., Shino, A. and Kikuchi, J.*
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: XX 号: 20 ページ: 6000-6003
  • DOI: 10.1002/anie.201600334
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Application of Maket Basket Analysis for Visualization of Transaction Data based on Human Lifestyle and Spectroscopic Measurements (2016)
  • 著者名/発表者名: Shiokawa, Y., Misawa, T., Date, Y. and Kikuchi, J.*
  • 雑誌名: Anal. Chem. 巻: 88 号: 5 ページ: 2714-2719
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.5b04182
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Visualization of microfloral metabolism for marine waste recycling (2016)
  • 著者名/発表者名: Ogura, T., Hoshino, R., Date, Y. and Kikuchi, J.*
  • 雑誌名: Metabolites 巻: 6 号: 1 ページ: 7-7
  • DOI: 10.3390/metabo6010007
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fragment Assembly Approach Based on Graph/Network Theory with Quantum Chemistry Verifications for Assigning Multidimensional NMR Signals in Metabolite Mixtures (2016)
  • 著者名/発表者名: Ito, K., Tsutsumi, Y., Date, Y. and Kikuchi, J.*
  • 雑誌名: ACS Chem. Biol. 巻: 11 号: 4 ページ: 1030-1038
  • DOI: 10.1021/acschembio.5b00894
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] SENSI: Signal ENhancement by Spectral Integration for Analysis of Metabolic Mixtures (2016)
  • 著者名/発表者名: Misawa, T., Komatsu, T., Date, Y. and Kikuchi, J.*
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 52 号: 14 ページ: 2964-2967
  • DOI: 10.1039/c5cc09442a
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Organosolv pretreatment of sorghum bagasse using a low concentration of hydrophobic solvents such as 1-butanol or 1-pentanol (2016)
  • 著者名/発表者名: Teramura, H., Kikuchi, J. (14人中13番目）
  • 雑誌名: Biotech. Biofuels 巻: 9 号: 1 ページ: 27-27
  • DOI: 10.1186/s13068-016-0427-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] SpinCouple: Development of web-tool for analyzing metabolite mixtures via 2D-J resolved NMR spectra (2016)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, J.* Tsuboi, Y., Komatsu, K., Gomi, M., Chikayama, E. and Date, Y.
  • 雑誌名: Anal. Chem. 巻: 88 号: 1 ページ: 659-665
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.5b02311
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Polysaccharides as major carbon sources in environmental biodiversity (2016)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, J.* and Komatsu, T.
  • 雑誌名: NMR in Glycoscience and Glycotechnology 巻: XX
• [雑誌論文] Identification of reliable components in multivariate curve resolution-alternating least squares (MCR-ALS) for a data-driven approach across metabolic processes (2015)
  • 著者名/発表者名: Motegi, H., Kikuchi, J* (9人中9番目）
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 5 号: 1 ページ: 16710-16710
  • DOI: 10.1038/srep15710
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Methylated cytokinins from phytopathogen Rhodococcus fascians mimic plant hormone activity (2015)
  • 著者名/発表者名: Radhika, V., Kikuchi, J., (7人中5番目）
  • 雑誌名: Plant Physiol 巻: 169 号: 2 ページ: 1118-1126
  • DOI: 10.1104/pp.15.00787
  • 査読あり
• [雑誌論文] Precipitate obtained following membrane separation of hydrothermally pretreated rice straw liquid revealed by 2D NMR to have high lignin content (2015)
  • 著者名/発表者名: Sasaki, K., Kikuchi, J. (12人中11番目）
  • 雑誌名: Biotech. Biofuels 巻: 8 号: 1 ページ: 88-88
  • DOI: 10.1186/s13068-015-0273-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Probiotic Bifidobacterium longum alters gut luminal metabolism through modification of the gut microbial community. (2015)
  • 著者名/発表者名: Sugahara, H., Odamaki, T., Fukuda, S., Kato, T., Xiao, J.Z., Abe, F., Kikuchi, J., Ohno, H.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 号: 1 ページ: 13548-13548
  • DOI: 10.1038/srep13548
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Metabolic dynamics analysis by massive data integration: application to tsunami-affected field soils in Japan (2015)
  • 著者名/発表者名: Ogura, T., Date, Y., Tsuboi, Y. and Kikuchi, J.*
  • 雑誌名: ACS Chem. Biol. 巻: 10 号: 8 ページ: 1908-1915
  • DOI: 10.1021/cb500609p
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Profiling planktonic biomass using element-specific, multicomponent nuclear magnetic resonance spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Komatsu, T., Kobayashi, T., Hatanaka, M. and Kikuchi, J.*
  • 雑誌名: Environ. Sci. Technol 巻: 49 号: 11 ページ: 7056-7062
  • DOI: 10.1021/acs.est.5b00837
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Multidimensional High-Resolution Magic Angle Spinning and Solution-State NMR Characterization of (13)C-labeled Plant Metabolites and Lignocellulose. (2015)
  • 著者名/発表者名: Mori T, Tsuboi Y, Ishida N, Nishikubo N, Demura T, Kikuchi J.
  • 雑誌名: Scientific Report 巻: 5 号: 1 ページ: 11848-11848
  • DOI: 10.1038/srep11848
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Profiling contents of water-soluble metabolites and mineral nutrients to evaluate the effects of pesticides and organic and chemical fertilizers on tomato fruit quality (2015)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, M., Ohta, Y., Sun, L., Motoyama, N. and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: Food Chem. 巻: 169 ページ: 387-395
  • DOI: 10.1016/j.foodchem.2014.07.155
  • 査読あり
• [雑誌論文] A NMR-based, non-targeted multistep metabolic profiling revealed L-rhamnitol as a metabolite that characterised apples from different geographic origins (2015)
  • 著者名/発表者名: Satoru Tomita, Tadashi Nemoto, Yosuke Matsuo, Toshihiko Shoji, Fukuyo Tanaka, Hiroyuki Nakagawa, Hiroshi Ono, Jun Kikuchi, Mayumi Ohnishi-Kameyama, Yasuyo Sekiyama
  • 雑誌名: Food Chemistry 巻: 174 ページ: 163-172
  • DOI: 10.1016/j.foodchem.2014.11.028
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Human metabolic, mineral and microbiota fluctuations across daily nutritional intakes visualized by data-driven approach (2015)
  • 著者名/発表者名: Misawa, T., Date, Y. and Kikuchi, J
  • 雑誌名: J. Proteome Res. 巻: 14 号: 3 ページ: 1526-1534
  • DOI: 10.1021/pr501194k
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Pretreatment and integrated analysis of spectral data reveal seaweed similarity based on chemical diversity (2015)
  • 著者名/発表者名: Wei, F., Ito, K., Sakata, K., Date, Y. and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: Anal. Chem. 巻: 87 号: 5 ページ: 2819-2826
  • DOI: 10.1021/ac504211n
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strengthening of the intestinal epithelial tight junction by Bifidobacterium bifidum (2015)
  • 著者名/発表者名: Chen-Yu Hsieh, Toshifumi Osaka, Eri Moriyama1, Yasuhiro Date, Jun Kikuchi, Satoshi Tsuneda
  • 雑誌名: Physiological Reports 巻: 3 号: 3 ページ: e12327-e12327
  • DOI: 10.14814/phy2.12327
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Introduction of chemically labile substructures in Arabidopsis lignin through the use of the Ca dehydrogenase from Sphingobium sp. Strain SYK-6 (2015)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, J (22中15番目)
  • 雑誌名: Plant Biotechnol. J. 巻: - 号: 6 ページ: 821-832
  • DOI: 10.1111/pbi.12316
  • 査読あり
• [雑誌論文] Changes in lignin and polysaccharide components in 13 cultivars of rice straw following dilute acid pretreatment as studied by solution-state 2D 1H-13C NMR (2015)
  • 著者名/発表者名: Teramura, H., Sasaki, K., Oshima, T., Aikawa, S., Matsuda, F., Kawaguchi, H., Ogino, C., Yamazaki, M., Shirai, T., Okamoto, M., Kikuchi, J. and Kondo, A
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparative analysis of chemical and microbial profiles of estuarine sediments sampled from Kanto and Tohoku regions in Japan (2014)
  • 著者名/発表者名: Asakura, T., Date, Y. and Kikuchi, J
  • 雑誌名: Anal. Chem. 巻: 86 号: 11 ページ: 5425-5432
  • DOI: 10.1021/ac5005037
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Multiple omics uncovers host-gut microbial mutualism during prebiotic fructooligosaccharide supplementation (2014)
  • 著者名/発表者名: Kato, T., Fukuda, S., Fujiwara, A., Suda, W., Hattori, M., Kikuchi, J. and Ohno, H..
  • 雑誌名: DNA Res. 巻: 21 号: 5 ページ: 469-480
  • DOI: 10.1093/dnares/dsu013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metabolomic profiling of 13C-cellulose digestion in a lower termite: insights into symbiont function (2014)
  • 著者名/発表者名: Tokuda, T., Tsuboi, Y., Kihara, K. Saito, S. Moriya, S. Lo, N. and Kikuchi, J
  • 雑誌名: Proc. Royal Soc. B 巻: 281 号: 1789 ページ: 20140990-20140990
  • DOI: 10.1098/rspb.2014.0990
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Comparative metabolomic and ionomic approach for abundant fishes in estuarine environments of Japan (2014)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, S., Date, Y. and Kikuchi, J
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 4 号: 1 ページ: 7005-7005
  • DOI: 10.1038/srep07005
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Chemical profiling of Jatropha tissues under different torrefaction conditions: application to biomass waste recovery (2014)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, T., Shino, A., Akashi, K. and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 9 号: 9 ページ: e106893-e106893
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0106893
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Biogeochemical Typing of Paddy Field by a Data-Driven Approach Revealing Sub-Systems within a Complex Environment - A Pipeline to Filtrate, Organize and Frame Massive Dataset from Multi-Omics Analyses (2014)
  • 著者名/発表者名: Ogawa DM, Moriya S, Tsuboi Y, Date Y, Prieto-da-Silva AR, Rádis-Baptista G, Yamane T, Kikuchi J.
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 9 号: 10 ページ: e110723-e110723
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0110723
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Multi-spectroscopic analysis of seed quality and 13C-stable-isotopologue monitoring in initial growth metabolism of Jatropha curcas L. using stable-isotope labeling (2014)
  • 著者名/発表者名: Komatsu, T., Oishi, R., Shino, A. Akashi, K. and Kikuchi, J
  • 雑誌名: Metabolites 巻: 4 号: 4 ページ: 1018-1033
  • DOI: 10.3390/metabo4041018
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 安定同位体標識による生体分子混合物ならびに代謝経路解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 菊地淳
  • 雑誌名: 生物工学会誌 巻: 92 ページ: 100-109
• [雑誌論文] 食と代謝のメタボノミクス (2014)
  • 著者名/発表者名: 菊地 淳
  • 雑誌名: 実験医学 巻: 32 ページ: 699-705
• [雑誌論文] NMRにおけるイノベーション (2014)
  • 著者名/発表者名: 菊地 淳
  • 雑誌名: 生物工学会誌 巻: 92 ページ: 561-561
• [雑誌論文] NMRで挑む複雑系の分子宇宙 (2014)
  • 著者名/発表者名: 三澤拓真、伊藤研悟、菊地 淳
  • 雑誌名: 生物工学会誌 巻: 92 ページ: 504-510
• [雑誌論文] 複雑系高分子群に挑むバイオマスNMRの世界 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小松功典、菊地 淳
  • 雑誌名: 細胞工学 巻: 33 ページ: 843-849
• [雑誌論文] 分子複雑系 (2014)
  • 著者名/発表者名: 菊地 淳
  • 雑誌名: NMR 巻: 5 ページ: 78-82
  • NAID: 40020568027
• [雑誌論文] 食の来た道還る道 (2014)
  • 著者名/発表者名: 菊地 淳
  • 雑誌名: バイオインダストリー 巻: 31 ページ: 37-44
• [雑誌論文] Toward better annotation in plant metabolomics: isolation and structure elucidation of 36 specialized metabolites from Oryza sativa (rice) by using MS/MS and NMR analyses (2014)
  • 著者名/発表者名: Zhigang Yang, Ryo Nakabayashi, Yozo Okazaki, Tetsuya Mori, Satoshi Takamatsu, Susumu Kitanaka, Jun Kikuchi, Kazuki Saito
  • 雑誌名: Metabolomics 巻: 10 号: 4 ページ: 543-555
  • DOI: 10.1007/s11306-013-0619-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Visualizing microbial dechlorination processes in underground ecosystem by statistical correlation and network analysis approach (2014)
  • 著者名/発表者名: Yamazawa, A., Date, Y., Ito, K. and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: J. Biosci. Bioeng. 巻: 117 号: 3 ページ: 305-309
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2013.08.010
  • NAID: 110009815381
  • 査読あり
• [雑誌論文] In vitro evaluation method for screening of candidate prebiotic foods (2014)
  • 著者名/発表者名: Date, Y., Nakanishi, Y., Fukuda, S. et al.
  • 雑誌名: Food Chemistry 巻: 152 ページ: 251-260
  • DOI: 10.1016/j.foodchem.2013.11.126
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cellulose digestion and metabolisms induced biocatalytic transitions in anaerobic microbial ecosystems (2014)
  • 著者名/発表者名: Yamazawa, A., Iikura, T., Morioka, Y., Shino, A., Ogata, Y., Date, Y. and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: Metabolites 巻: 4 号: 1 ページ: 36-52
  • DOI: 10.3390/metabo4010036
  • 査読あり
• [雑誌論文] Integrated analysis of seaweed components in seasonal fluctuation by data mining across heterogeneous chemical measurements with network visualization (2014)
  • 著者名/発表者名: Ito, K., Sakata, K., Date, Y. and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: Anal. Chem. 巻: 86 号: 2 ページ: 1098-1105
  • DOI: 10.1021/ac402869b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Solid, solution and gas-state NMR monitoring of 13C-cellulose degradation in an anaerobic microbial ecosystem (2013)
  • 著者名/発表者名: Yamazawa, A., Iikura, T., Shino, A., Date, Y., and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: Molecules 巻: 18 号: 8 ページ: 9021-9033
  • DOI: 10.3390/molecules18089021
  • 査読あり
• [雑誌論文] Differences in cellulosic supramolecular structure of compositionally similar rice straw affect biomass metabolism by paddy soil microbiota (2013)
  • 著者名/発表者名: Ogura, T., Date, Y. and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 8 号: 6 ページ: e66919-e66919
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0066919
  • 査読あり
• [雑誌論文] Selective signal detection in solid-state NMR using rotor synchronized dipolar dephasing for the analysis of hemicellulose in lignocellulosic biomass (2013)
  • 著者名/発表者名: Komatsu, T and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett. 巻: 4 号: 14 ページ: 2279-2283
  • DOI: 10.1021/jz400978g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comprehensive signal assignment of 13C-labeled lignocellulose using multidimensional solution NMR and 13C chemical shift comparison with solid-state NMR (2013)
  • 著者名/発表者名: Komatsu, T and Kikuchi, J.
  • 雑誌名: Anal. Chem. 巻: 85 号: 18 ページ: 8857-8865
  • DOI: 10.1021/ac402197h
  • 査読あり
• [雑誌論文] Commensal microbe-derived butyrate induces colonic regulatory T cells (2013)
  • 著者名/発表者名: Yukihiro Furusawa, Yuuki Obata, Shinji Fukuda, Takaho A. Endo, Gaku Nakato, Daisuke Takahashi, Yumiko Nakanishi, Chikako Uetake, Keiko Kato, Tamotsu Kato, Masumi Takahashi, Noriko N. Fukuda, Shinnosuke Murakami, Eiji Miyauchi, Shingo Hino, Koji Atarashi, Satoshi Onawa, Yumiko Fujimura, Trevor Lockett, Julie M. Clarke, David L. Topping, Masaru Tomita, Shohei Hori, Osamu Ohara, Tatsuya Morita, Haruhiko Koseki, J un Kikuchi, Kenya Honda, Koji Hase and Hiroshi Ohno
  • 雑誌名: Nature 巻: 506 号: 7480 ページ: 446-450
  • DOI: 10.1038/nature12721
  • 査読あり
• [学会発表] Analysis of metabolite structure and its turnover by multi-dimensional NMR (2014)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, J
  • 学会等名: Annotation and Identification of Small Biological Molecules
  • 発表場所: Gif-Sur-Yvitte, France
  • 年月日: 2014-10-23
  • 招待講演
• [学会発表] Analysis of microbial metabolism in the gut ecosystem (2014)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, J
  • 学会等名: Korean Society for Biotechnolgy and Bioengineering
  • 発表場所: Gyeongjyu, Korea
  • 年月日: 2014-04-11
  • 招待講演
• [学会発表] Visualizing metabolic system catalyzed by microbial ecosystem using statistical correlation analysis (2013)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, J
  • 学会等名: ISMAR2013
  • 発表場所: Rio de Janeiro, Brazil
• [図書] ヒトマイクロビオーム研究の最前線 (2016)
  • 著者名/発表者名: 菊地淳
  • 総ページ数: 472
  • 出版者: エヌティーエス出版
• [図書] セルロースナノファイバーの調製、分散・複合化と製品応用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 菊地淳
  • 総ページ数: 535
  • 出版者: 技術情報協会
• [図書] セルロースナノファイバーの前処理、分散技術と応用事例 (2015)
  • 著者名/発表者名: 菊地 淳 （分筆）
  • 総ページ数: 244
  • 出版者: 技術情報協会
• [図書] 常在菌が操るヒトの健康と疾患 (2014)
  • 著者名/発表者名: 菊地 淳 （分筆）
  • 総ページ数: 834
  • 出版者: 羊土社
• [図書] 植物細胞壁 (2013)
  • 著者名/発表者名: 菊地 淳 （分筆）
  • 総ページ数: 349
  • 出版者: 講談社
• [備考] 横浜市立大学大学院生命医科学研究科 生命分析科学研究室
  • URL: http://www.tsurumi.yokohama-cu.ac.jp/bas/publications2015.html