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

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25513012
• 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
• キーワード: 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 / NMR / 元素分析 / 機械学習

研究実績の概要

日本は世界第４位の排他的経済水域体積を有するとされ、高低差の激しさや南北からの豊かな潮流の恩恵を受け、生物多様性のホットスポットとなっている。この多様性豊かな水産資源は世界無形文化遺産・和食の礎を支え、なおかつ世界でも健康嗜好より広く流通しつつある。つまり魚介類や海藻類、さらにはこれらを育む海洋環境には重要課題が山積していると言える。
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。現在までに、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、supervised/unsupervisedな機械学習手法、マーケットバスケット解析等、情報解析技術高度化を達成できた。また、これらの計算手法を活用した４桁数の魚類多検体解析について、マハゼ１種に絞り深化したアプローチおよび、200余の魚種多様性を鳥瞰するアプローチについて、有力誌への投稿も行っている。

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 ページ: in press
  • 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 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 ページ: in press
  • 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 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 ページ: 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 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 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 ページ: 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 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 ページ: in press
• [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 ページ: 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 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 ページ: 88
  • DOI: 10.1186/s13068-015-0273-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bifidobacterium longum BB536 induces gut luminal metabolic changes through modulation of microbial community (2015)
  • 著者名/発表者名: Sugahara, J., Kikuchi, J. (8人中6番目）
  • 雑誌名: Sci. Rep 巻: 5 ページ: 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 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 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 13C-labeled plant metabolites and lignocellulose (2015)
  • 著者名/発表者名: Mori, T., Tsuboi, Y., Ishida, N., Nishikubo, N., Demura, T. and Kikuchi, J.*
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 5 ページ: 11848
  • DOI: 10.1038/srep11848
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [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