マクロ生物情報の 光センシング

マクロ生物情報の マクロ生物情報の マクロ生物情報の マクロ生物情報の

光センシング 光センシング 光センシング 光センシング

三重大学大学院生物資源学研究科 資源循環学専攻

橋本 篤 橋本 篤

かずさ DNA 研究所ワークショップ「 Phenomics が拓く新たな生物研究」

Graduate School of Bioresources

ずさ 研究所ワ クショッ 拓く新たな 物研究」

（ 2012 年 3 月 9 日）

本日の発表

はじめに

 はじめに

 センシング対象とするマクロ生物情報

 マクロ生物情報の光センシング

 光センシング

 光センシング

 光センシングの特徴

マルチバンドセンシング例

 マルチバンドセンシング例

 赤外分光センシング

糖類 赤 分光特性

 糖類の赤外分光特性

 代謝関連情報のセンシング例

 コメの赤外分光特性

 おわりに

Graduate School of Bioresources

 おわりに

農業から食品工業

リモートセンシング （栽培情報 生体情報）

リモ トセンシング （栽培情報、生体情報）

品品 質・ 安 全全 性の 追

品質・成分 品質・糖酸度・ 追熟・色（色素

追 跡 品質 成分 味覚

品質 糖酸度 色・形

追熟 色（色素 変化）

食品工業

Graduate School of Bioresources

食品工業

物質・細胞から個体へ

O CH₂OH

O CH₂OH

OH

OH O

OH CH₂OH O

OH CH₂OH

OH OH

OH OH

O OH

OH

O CH₂OH

OH OH OH

OH

OH OH OH

OH

OH O

タバコ培養細胞 イネ培養細胞 大腸菌

キセノンガスによる水の

形の成長計測・解析 イネの成長計測・解析 キセノンガスによる水の

構造化を用いた大腸菌の保存

Graduate School of Bioresources

植物個体（農作物・樹体）の代謝

様々なバイオインフォメーション

次 バ ミクロ

 一次のバイオインフォメーション

 DNA ・ RNA ・タンパク質の順で生物体の機能として表 される情報

ミクロ

現される情報

 二次のバイオインフォメーション 情

 生命の維持（構造の秩序維持）に不可欠な代謝（一次 代謝と二次代謝）情報

報 流

 三次のバイオインフォメーション

 一次・二次の情報から発現した生体構造・形・物性・

流 れ

特性・感覚などの情報

マクロ

れ

Graduate School of Bioresources

マクロ

Phenomics 研究に求められるセンシング

生物個体 表 型を総合的 解析する 生物個体の表現型を総合的に解析する 現場（生物場）対応型のセンシング手法：

簡便（前処理などが不必要）

簡便（前処理などが不必要）

迅速

非破壊的

IT との親和性の高いセンシング手法：

非破壊的 可搬型

IT との親和性の高いセンシング手法：

ひとつのデータが様々な情報を含んでいる データの加工（処理）がしやすい

デ タの加 （処理）がしやす

光（電磁波）センシング

Graduate School of Bioresources

光（電磁波）センシング

本日の発表

はじめに

 はじめに

 センシング対象とするマクロ生物情報

 マクロ生物情報の光センシング

 光センシング

 光センシング

 光センシングの特徴

マルチバンドセンシング例

 マルチバンドセンシング例

 赤外分光センシング

糖類 赤 分光特性

 糖類の赤外分光特性

 代謝関連情報のセンシング例

 コメの赤外分光特性

 おわりに

Graduate School of Bioresources

 おわりに

光の種類と波長

Graduate School of

Bioresources

分光分析と分離分析 分光分析と分離分析

 分離分析

 クロマトグラフィーや電気泳動に代表される 混合物を単一化学種に分画することが重要

 混合物を単一化学種に分画することが重要

 分光分析

 分光分析

 混合物のままスペクトルを測定

↓

そのスペクトル情報だけを分離 その クトル情報だけを分離

↓ 定量

Graduate School of Bioresources

定量

主な光（分光）センシング手法

1 X 線

1. X 線

蛍光 X 線分光計測

→葉など → K ・ Ca ・ P ・ Mg ・ Fe ・ Zn ・ Cu ・ S などの同時計測 2. 紫外線（UV）

蛍光分光計測 → 葉，樹体など→ 糖類，色素，有機酸など 3 可視光（ VIS ）

波

3. 可視光（ VIS ）

分光計測，色彩計測，形状計測

→ 葉，果実，樹体など→ 色素，形状，樹勢など

波

4. 近赤外線（ NIR ）

分光計測（拡散反射法，透過法）→果実など →水分量，糖度など 5 中赤外線（ MIR ）

長

5. 中赤外線（ MIR ）

分光計測（ ATR 法など）→ 葉，果実など

→ 糖類，タンパク質，様態の異なる窒素など 6. テラヘルツ波（ THz ）

新しい計測手法（分光計測，イメージング） → 未開拓領域

Graduate School of

Bioresources

トマト葉のマルチバンドセンシング

トマト生葉 蛍光 X 線分光法 蛍光 X 線分光法

元素情報

（ P K Ca 等）

（ P, K, Ca 等）

赤外分光法

様態の異なる窒素 糖・有機成分

色彩計測法

作物の栄養状態 表面色情報

トマト葉の光センシング情報に及ぼす 窒素施肥量の影響

窒素施肥量の影響

0.2

差 A [- ]

第一花房開花時

N1

赤外 分 硝酸 糖

0.1

吸 光度 差

N1/2 N1/4 N0

分 光情 報

1800 1600 1400 1200 1000 800

吸 0.0

波数 [cm

^-1

]

[-] 2.5

蛍 報

1 0 1.5

2.0 Ca K 

RhL  RhL 

強 度 l/l

RhL

第一花房開花時

N1 N1/2

蛍 光 線 分

X Ca

0.0 0.5

1.0 Ca K 

K K  RhL 

S K  P K 

Si K 

正 規化 強 N1/2

N1/4 N0

分 光情 報

N0 N1/4 N1/2 N1

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

正 エネルギー [kev]

色 彩 報

第一花房 直下本葉

彩 情報

トマト葉の光センシング情報に及ぼす 窒素施肥量の影響

窒素施肥量の影響

赤外分 0.10 0.2

差 A [- ]

差 A [-] 1350 cm

-1

1371 cm

^-1

1014 cm

^-1

1107 cm

^-1

光情報

0 00 0.05

0 0 0.1

吸光度 差

吸光度 差

20 30

強 度 S

Ca

/l

RhL

[-]

Ca

蛍光

X

0.00 0.0

10 20

規 化面積 強 S

線分光 情

X

正 規 70 0 90 ]

情 報

60 70

色 相 H [-]

色相 H 彩 度 S [- ]

色彩情 報

0 0.25 0.5 1

50 50

色

培養液中の相対的窒素量

相 彩

彩度 S

報

栽培現場における色彩情報モニタリング

40

400 500

80

100

気温 土壌温度 PPFD

sec]

湿度

20 30

300 400

60 80

度 [ ℃ ] m ol / m

2

/ s

度 [% ] 気象情報

10 100

200

20

40 温 度 P FD [ μ m

湿 度

色彩情報

60 80

Before

一眼レフ(RAW )

高性能W EB(JPEG)

After

0 0

0 P P

20 40

汎用型W EB(JPEG)

相 H [-]

-20

色 相

0

色補正処理後の色彩画像

0 50 100 150 200 250 300 350

-40

時間 t [h]

色補正処理後の色彩画像

本日の発表

はじめに

 はじめに

 センシング対象とするマクロ生物情報

 マクロ生物情報の光センシング

 光センシング

 光センシング

 光センシングの特徴

マルチバンドセンシング例

 マルチバンドセンシング例

 赤外分光センシング

糖類 赤 分光特性

 糖類の赤外分光特性

 代謝関連情報のセンシング例

 コメの赤外分光特性

 おわりに

Graduate School of Bioresources

 おわりに

赤外線の分類

波長 [μm]

10^-2 10^-1 0.38 0.75 1 1.3 2 2.5 3 3.5 5 6 8 14 15 25 10³ 2000 10⁴

赤外線 (0.75～1000 μm) 近赤外線

(0.75～2.5μm）

中赤外線 (4000～400 cm^-1）

遠赤外線 (25～1000μm）

赤外分光器 (4000～400 cm^-1）

赤外分光

遠赤外分光器 光分野 (

近赤外分光器 (13300～2875 cm^-1)

遠赤外分光器

（テラヘルツ）

(400～5 cm^-1)

近・中赤外線 遠赤外線

熱 マ

(0.75～3μm） (3～1000μm）

熱利用分野 赤外線

(熱放射利用)

Ｘ線∧レン 紫外線 可 マイクロ波∧無線 電波∧テレ

リモートセンシング分野 近赤外線 短波長赤外線 中間赤外線 熱赤外線 遠赤外線

ントゲン写真∨ 線∧殺菌∨ 可視光線 線通信や電子レン レビやラジオ∨

野 赤外線カメラ分野 近赤外線 中赤外線 遠赤外線 極端遠赤外 ンジ∨

野 線 線 線 外線

照明分野 近赤外線 中赤外線 遠赤外線

Graduate School of Bioresources

野 線 線 線

赤外吸収のまとめ

Graduate School of

Bioresources

赤外線利用に関する研究

応

・発酵過程のモニタリング

・水の赤外分光特性

基礎 応用

・酵素反応モニタリング

・食味に関する計測

・食品･農産物の成分計測 構造，温度，イオン強度 etc

・糖類の赤外分光解析

＋

＋

食品 農産物 成分計測

・樹体の栄養状態計測

（様態の異なる窒素の定量）

・食品・農産物の加熱 糖類 赤外分光解析

単糖類 → 二糖類 → オリゴ糖 → 多糖類

・アミノ酸の赤外分光解析

アミノ酸 → タンパク質 食品 農産物の加熱

・赤外線乾燥

・赤外線照射殺菌 アミノ酸 → タンパク質

・イオン解離性代謝物質の赤外分光解析 赤外分光特性に及ぼす

＋

＋

・赤外分光特性に及ぼす 幾何学的構造の影響

THz 分光分析 代謝物質の生体内における機能

動的代謝挙動の理解

近赤外分光分析への展開 THz 分光分析

Graduate School of Bioresources

近赤外分光分析への展開

生体内における糖

生体

糖質 水

水素結合，等

糖質 水

相互作用 結合

赤外分光法（ FT-IR/ATR 法）

赤外分光法（ FT IR/ATR 法）

●

官能基の基準振動が現れる

Graduate School of

Bioresources

単糖類の赤外分光特性 単糖類の赤外分光特性 単糖類の赤外分光特性 単糖類の赤外分光特性

H

H 22 O O 溶液中のグルコーススペクトルの抽出 溶液中のグルコーススペクトルの抽出

1 0 1.1 1.2

2.0M グルコース H

₂

O 溶液

H O

0 7 0.8 0.9

1.0 H

₂

O

[-] OH 変角

0.5 0.6 0.7

光 度 A [ 会 合 OH 伸縮

0.2 0.3

吸 光 0.4 OH 会

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000

0.0

対称伸縮 0.1 変角伸縮 逆対称伸縮

波数 [cm

^-1

]

ν=3652 cm

^-1

ν=1595 cm

^-1

ν=3756 cm

^-1

単糖類の赤外分光特性 単糖類の赤外分光特性 単糖類の赤外分光特性 単糖類の赤外分光特性

H

H 22 O O 溶液中のグルコーススペクトルの抽出 溶液中のグルコーススペクトルの抽出

0.11 0.12 0.13

6 - O H C-4 - OH

- H G lc

0.08 0.09 0.10 0.11

[-] ー ス環 C - O C O( 環 ), C -4 - O, C- 6 C - O -

C-1 O H α -D- G

0.05 0.06 0.07 0.08

光 度 A [

H

⁶

ピラノ ー C - C, C C C CH

2

O

0.02 0.03 0.04 0.05

吸 光 H H

O OH H

O O

H

CH

₂

OH

2 1

4 5

1200 1150 1100 1050 1000 950

0.00 0.01 0.02

H H

H OH

¹

3

波数 [cm

^-1

]

単糖類の赤外分光特性 単糖類の赤外分光特性 単糖類の赤外分光特性 単糖類の赤外分光特性

0.30M

0.30M の の H H 22 O O 溶液中の単糖類スペクトル 溶液中の単糖類スペクトル

0 12 0.13

0 09 0.10 0.11 0.12

グルコース マンノース ガラクトース

タロース

0 06 0.07 0.08

0.09 タロ ス

度 A [-]

0 03 0.04 0.05 0.06

吸光 度

0 00 0.01 0.02 0.03

1200 1150 1100 1050 1000 950

0.00

波数 [cm

^-1

]

二糖類の赤外分光特性 二糖類の赤外分光特性

（

（ D グルコ ス２分子が結合）

（

（ D- グルコース２分子が結合）

0.12 0.13

0 09 0.10

0.11 トレハロース ( α -1,1)

コウジビオース ( α -1,2) ニゲロース ( α -1,3) マルト ス ( α 1 4)

0.07 0.08

0.09 マルトース ( α -1,4) イソマルトース ( α -1,6)

A [-]

0.04 0.05 0.06

吸 光度

0 01 0.02

吸 0.03

1200 1150 1100 1050 1000 950

0.00 0.01

波数 [cm -1 ]

グルコース水溶液の赤外分光特性

0 18

0.12 0.14 0.16 0.18

9 3

- 3200

[-]

吸光度スペクトル

0 04 0.06 0.08

0.10

1079 - 1033

363- 2925

-

A bsorbance 0 20

4000 0 3000 2000 1000 800

0.02

0.04

- 13

1

A

0.15 0.20

2925 cm^-1 1079 cm^-1 1033 cm^-1

[-] Wavenumber [cm

^-1

]

0 05 0.10

A bsorbance

0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

A 0.05

検量線

Graduate School of

Bioresources

Molar concentration [M]

スクロ ス水溶液の赤外分光特性 スクロース水溶液の赤外分光特性

0.16 0.18

50 9

0 -

吸光度スペクトル

0.10 0.12 0.14

0.16

10 99

30

3200

nce [-]

吸光度スペクトル

0 02 0.04 0.06 0.08

- 1370

- 293

Ab so rb an

0.30

2930 cm^-1

4000 0 3000 2000 1000 800

0.02

Wavenumber [cm

^-1

]

0 15 0.20

0.25

_{1050 cm}^{2930 cm}-1

999 cm^-1

nce [-]

0.05 0.10 0.15

Abs orba n

検量線

0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

Molar concentration [M]

検量線

3 0 4 0

F T I R / A T R t h d s u c r o s e

g lu c o s e f r u c t o s e

on [ g /l]

赤外分光法と HPLC 法の 定量結果の比較

2 0

3 0

F T - I R / A T R m e t h o d

oncent rat io

定量結果の比較

赤外分光法

1 0

lculated c o

赤外分光法

（分光分析）

0

^{( a )}

Ca l

4 0

s u c r o s e

/l]

l

3 0

H P L C m e t h o d g lu c o s e f r u c t o s e

ntra tio n [g /

HPLC （液クロ）法

1 0 2 0

ted conce n

HPLC （液ク ）法

（分離分析）

0 1 0 2 0 3 0 4 0

0 1 0

( b )

Calc ula t

Graduate School of Bioresources

0 1 0 2 0 3 0 4 0

A c t u a l c o n c e n t r a t io n [ g / l]

FT-IR/ATR 法と HPLC 法の比較

( 植物細胞溶培養用培地の例 )

Spectral change Chromatogram change

0 day 3 days 5 days 7 days 9 days 14 days 16 days 21 days

0 04 0.05 0.06

]

³⁵⁰

400 450 500

350 400 450 500

0 04 0.05 0.06

]

³⁵⁰

400 450 500

0 04 0.05 0.06

]

³⁵⁰

400 450 500

0 04 0.05 0.06

]

³⁵⁰

400 450 500

0 04 0.05 0.06

]

³⁵⁰

400 450 500

0 04 0.05 0.06

]

³⁵⁰

400 450 500

0 04 0.05 0.06

]

³⁵⁰

400 450 500

0 04 0.05 0.06

]

0.02 0.03 0.04

光 度 [-

¹⁵⁰

200 250 300

[mv]

¹⁵⁰

200 250 300

[mv]

0.02 0.03 0.04

光 度 [-

¹⁵⁰

200 250 300

[mv]

0.02 0.03 0.04

光 度 [-

¹⁵⁰

200 250 300

[mv]

0.02 0.03 0.04

光 度 [-

¹⁵⁰

200 250 300

[mv]

0.02 0.03 0.04

光 度 [-

¹⁵⁰

200 250 300

[mv]

0.02 0.03 0.04

光 度 [-

¹⁵⁰

200 250 300

[mv]

0.02 0.03 0.04

光 度 [-

¹⁵⁰

200 250 300

[mv]

0.02 0.03 0.04

光 度 [-

0.00

吸

0.01

-50 0 50 100

-50 0 50 100

0.00

吸

0.01

-50 0 50 100

0.00

吸

0.01

-50 0 50 100

0.00

吸

0.01

-50 0 50 100

0.00

吸

0.01

-50 0 50 100

0.00

吸

0.01

-50 0 50 100

0.00

吸

0.01

-50 0 50 100

0.00

吸

0.01

1300 1200 1100 1000 900

-0.01

波 数 [cm

^-1

]

0 5 10 15 20 25

-100

保持時間[分]

0 5 10 15 20 25

-100

保持時間[分]

1300 1200 1100 1000 900

-0.01

波 数 [cm

^-1

]

0 5 10 15 20 25

-100

保持時間[分]

1300 1200 1100 1000 900

-0.01

波 数 [cm

^-1

]

0 5 10 15 20 25

-100

保持時間[分]

1300 1200 1100 1000 900

-0.01

波 数 [cm

^-1

]

0 5 10 15 20 25

-100

保持時間[分]

1300 1200 1100 1000 900

-0.01

波 数 [cm

^-1

]

0 5 10 15 20 25

-100

保持時間[分]

1300 1200 1100 1000 900

-0.01

波 数 [cm

^-1

]

0 5 10 15 20 25

-100

保持時間[分]

1300 1200 1100 1000 900

-0.01

波 数 [cm

^-1

]

0 5 10 15 20 25

-100

保持時間[分]

1300 1200 1100 1000 900

-0.01

波 数 [cm

^-1

]

Sucrose Glucose

Fructose

Spectra of water and aqueous solutions Spectra of water and aqueous solutions

Influence of NaCl NaCl concentration on Glucose Glucose-NaCl NaCl aqueous solutions aqueous solutions

3400 cm

^-1

3250 cm

^-1

1 5

1.2 1.3 1.4 1.5

Glucose-NaCl aqueous solutions NaCl concentration

Water

Fingerprint region 0 8 0.9

1.0 1.1 NaCl concentration

0.0 [M] 2.0 [M]

0.1 [M] 2.5 [M]

0.5 [M] 3.0 [M]

1 0 [M] 3 5 [M]

e A [-]

0.5 0.6 0.7

0.8 1.0 [M] 3.5 [M]

1.5 [M] 4.0 [M]

*Glucose concentration 2.0 [M]

orbanc e

OH stretching 0 1

0.2 0.3

Abs 0.4

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000

0.0 0.1

W b [

^-1

]

Graduate School of Bioresources

Wavenumber [ cm

^-1

]

Extracted spectrum of glucose in aqueous solution Extracted spectrum of glucose in aqueous solution

Subtracted spectrum of water multiplied by a factor calculated using the density Subtracted spectrum of water multiplied by a factor calculated using the density of water and the molar concentration of solution

of water and the molar concentration of solution Interaction Interaction

15 15

Glucose

Glucose NaCl NaCl Water Water Glucose Glucose NaCl NaCl

11 1.2 1.3 1.4 1.5

11 1.2 1.3 1.4 1.5

2.0 [M]

4.0 [M]

2.0 [M]

4.0 [M]

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

Glucose in Glucose-NaCl aqueous solution

ance A [-]

0.7 0.8 0.9 1.0

1.1 Water

Glucose-NaCl aqueous solution * Glucose 2.0 [M], NaCl 4.0 [M]

ance A [-]

[ ] [ ] [M] [ ]

02 0.3 0.4 0.5

0.6 *Glucose 2.0 [M], NaCl 4.0 [M]

Absorb a

02 0.3 0.4 0.5 0.6

Absorb a

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000

0.0 0.1 0.2

1

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000

0.0 0.1 0.2

1

Graduate School of Bioresources

Wavenumber [ cm

^-1

]

Wavenumber [ cm

^-1

]

Spectra of glucose in aqueous solutions with NaCl Spectra of glucose in aqueous solutions with NaCl

Spectra in fingerprint Spectra in fingerprint region (1200

region (1200 – – 950 cm 950 cm --1 1 ))

Influences of

Influences of NaCl NaCl concent concent-- ration on functional groups ration on functional groups of

of gl cose gl cose

09 016

of

of glucose glucose

Interaction

Interaction Absorption bands shifted to lower wavenumbers

0.7 0.8 0.9

NaCl concentration 0.0 [M] 2.0 [M]

0.1 [M] 2.5 [M]

05[M] 30[M]

0.12 0.14 0.16

NaCl concentration

0.1 [M] 2.5 [M]

0.5 [M] 3.0 [M]

0 M

[-]

to lower wavenumbers

04 0.5

0.6 0.5 [M] 3.0 [M]

1.0 [M] 3.5 [M]

1.5 [M] 4.0 [M]

*Glucose concentration 2.0 [M]

a nce A [-] 0.06

0.08

0.10 1.0 [M] 3.5 [M]

1.5 [M] 4.0 [M]

2.0 [M]

A - A

NaCl 0.0

0.2 0.3 0.4

Absorb a

0.00 0.02 0.04

o rbance A

1200 1150 1100 1050 1000 950

0.0 0.1

[

¹

]

1200 1150 1100 1050 1000 950

-0.04 -0.02

1

Abs o

Graduate School of Bioresources

Wavenumber [ cm

^-1

] Wavenumber [ cm

^-1

]

代謝系におけるイオン解離性物質

イオン解離性代謝関連物質 イオン解離性代謝関連物質

TCA 回路

解糖系／

ペントースリン酸回路

糖リン酸 有機酸 有機酸

エネルギー代謝／

補酵素 アデノシンリン酸

補酵素 アデノシンリン酸

pH の変化に伴ない分光

スペクトルが顕著に変化する 中赤外分光計測

スペクトルが顕著に変化する

G6P の吸光度スペクトルの pH p による変化

0 0010 0.0012

2.11

0.0008

0.0010 2.80 5.18 5.78

-1 [M ] 6 20

0.0006

0.0008 6.20

6.57 7.10 11.40

吸 光度

0.0004

モル 吸

0.0002

1800 1600 1400 1200 1000 800

0.0000

波数 [cm -1 ] 波数 [cm ]

Abs (ν,pH)=Abs 0 (ν)C 0 (pH)+Abs 1 (ν)C 1 (pH)+ Abs 2 (ν)C 2 (pH)

ATP の解離成分スペクトル

0.0018

ATP 4-

0 0012

0.0015 ATP 4-

ATP 3- ATP 2-

]

0.0009

0.0012 ATP

s / C[M -1 ]

0.0006

Ab s /

0.0003

1800 1600 1400 1200 1000 800

0.0000

波数 [cm -1 ]

ATP, ADP, AMP の離成分スペクトルの比較

0.0018 0.0018 0.0018

ATP 3

0 0012 0.0015

ADP 2- ] 0 0012

0.0015

AMP - ] 0 0012

0.0015 ATP 3-

]

0.0009 0.0012

/ C[M -1 ]

0.0009

0.0012 AMP

/ C[M -1 ]

0.0009 0.0012

/ C[M -1 ]

0.0006

Abs /

0.0006

Abs /

0.0006

Abs /

0.0003 0.0003 0.0003

1800 1600 1400 1200 1000 800

0.0000

波数 [cm -1 ]

1800 1600 1400 1200 1000 800

0.0000

波数 [cm -1 ]

1800 1600 1400 1200 1000 800

0.0000

波数 [cm -1 ]

波数 [cm ]

波数 [cm ]

波数 [cm ]

反応系および試料

グルコキナーゼ

6- ホスホフルクト キナーゼ グルコース

-6-リン酸イソメラーゼ

D グルコ ス フルクトース

ATP ADP ATP ADP

グルコース フルクトース D-グルコース

-1,6- ビスリン酸 Pi

Pi

-6- リン酸 -6- リン酸

試 料

◆ β- Ｄ－グルコース -6- リン酸－ナトリウム（ G6P ）

◆Ｄｰフルクトース-6-リン酸 －二ナトリウム（F6P）

◆グルコース-6-リン酸イソメラーゼ（PGI）

赤外分光スペクトルに及ぼす pH の影響

（ G6P-F6P-Tris 水溶液中）

（ G6P-F6P-Tris 水溶液中）

0.05 0.06

Tris buffer: 100 mM G6P: 20 mM F6P: 10 mM

pH7.0 pH7.5 pH8 0

0.03 0.04

b s [-]

pH8.0 pH8.5

pH9.0

吸光度スペクトル

0.0002

Tris buffer: 100 mM

G6P 20 M

0.01

A b 0.02

0.0000

0.0001

G6P: 20 mM F6P: 10 mM

1200 1150 1100 1050 1000 950 900 0.00

Wavenumber [cm

^-1

]

-0.0001

d

2

Abs

pH7.0 pH7.5 pH8 0

2 次微分スペクトル

（ Savitzky Goray 法 11 点）

1200 1150 1100 1050 1000 950 900

-0.0003

-0.0002

_pH8.5^pH8.0

pH9.0

（ Savitzky-Goray 法： 11 点）

Wavenumber [cm

^-1

]

G6P-F6P-Tris 成分の 2 次微分スペクトル

     

  ν C d Abs   ν Abs

d C

ν Abs

d C

ν Abs

d C

C C

C ν

Abs d

_mix

F6P,2 2

F6P,2 F6P,1

2 F6P,1

G6P,2 2

G6P,2 G6P,1

2 G6P,1 Tris

F6P G6P

2

, ,

pH, ,

















   

 

ν Abs

d C

ν Abs

d

C

_Tris,1 ² _{Tris,1 Tris,0} ² _Tris,0

, ,

, ,

   

       

 

       

 

 d Abs ν d Abs ν 

C

ν Abs

d ν

Abs d

C

F6P,2 2

F6P,2 F6P,1

2 F6P,1

F6P

G6P,2 2

G6P,2 G6P,1

2 G6P,1

G6P

pH pH

pH pH





























  H

^

K

G6P,1

K

G6P,1

K

G6P,2

G6P

       

 d Abs ν d Abs ν 

C

_{Tris rirs,1}

pH

² _{Tris,1 Tris,0}

pH

² _Tris,0

      

         

   

²

 

^{F6P,1 F6P 2}

   

^{2 F6P,1 F6P,2}

F6P 1

G6P,2 G6P,1

G6P,1 2

G6 , G6 ,

G6P,2 G6P,2

G6P,1 G6P,1

2

G6 , G6P,1

H ,

H H

H , H

K K

K

K K

K K

K K







 



 

















G6P 

F6P        

     

Tris Tris Tris,0

Tris Tris,1

F6P,2 F6P,1

F6P,1 F6P,2 2

F6P,2 F6P,1

F6P,1 F6P,1 2

H H ,

H

H H

H H

K K K

K K

K K

K K

 

 



























F6P

Tris  

Tris

 

Tris

Comparison of Calculated Values with Actual Ones

110 9.5

H

⁸⁰

Tris

90 100

onc.[mM]

9.0

d pH

Tris

Conc .

pH

60 70

Calculated co

8.0 8.5

Calculated

40 40

40 50 60 70 80 90 100 110

40 50

(b) Tris concentration Actual conc. [mM]

7.5 8.0 8.5 9.0 9.5

7.5

(a) pH value Actual pH

30 40

[mM]

30 40

[mM]

G6P

Conc F6P

Conc

20

culated conc.[

20

culated conc.[

. .

0 10 20 30 40

0 10

(c) G6P concentration

Calc

0 10 20 30 40

0 10

(d) F6P concentration

Calc

Actual conc. [mM] Actual conc. [mM]

MIR Spectroscopic Monitoring Results

(G6P and F6P concentrations)

35 ( )

25 30 35

c. [mM ]

MIR spectroscopic determination calculation

15 20 25

P Con c

10 15

M ] G6 P 20

10 15 20

ce. [m M

0 5 10

6P Con c

0 20 40 60 80 100

-5 0

R i i [ i ]

MIR spectroscopic determination calculation

F 6

Reacting time [min]

糖代謝経路

スクロース 培地

スクロース

インベルターゼ等

グル ス

グル ス クト クト

スクロース 培地

スクロース

グルコース

グルコース フルクトース フルクトース

グリコーゲン グルコース フルクトース

細胞

グリコーゲン セルロース

デンプン

グルコ ス フルクト ス

グルコース 6-リン酸

エタ ノ ー 細胞

ペントース

リン酸回路 フルクトース スクロース

6 リン酸 6 リン酸

ー ル 発酵

エタノール エタノール

リン酸回路 6-リン酸

ピルビン酸

TCA回路

ATP

アミノ酸

タンパク質

タンパク質

糖代謝経路

スクロ ス 培地

スクロ ス グルコ グルコ ス ス＋ ＋フルクト フルクト ス ス グルコース

グルコース

フルクトース フルクトース スクロース 培地

スクロース グルコース グルコース＋ ＋フルクトース フルクトース マンノース

マンノース ガラクトース ガラクトース フルクト ス

フルクト ス

グリコーゲン グルコース フルクトース

細胞

グリコーゲン セルロース

デンプン

グルコ ス フルクト ス

グルコース 6-リン酸

エタ ノ ー 細胞

ペントース

リン酸回路 フルクトース スクロース

6 リン酸 6 リン酸

ー ル 発酵

エタノール エタノール

リン酸回路 6-リン酸

ピルビン酸

TCA回路

ATP アミノ酸 タンパク質 タンパク質

糖の種類（環境）を変えて代謝制御可能？

0 04 0.05 0.06

-] 0日後

1055

培養液の赤外スペクトル経日変化（水との差）

スクロース 吸光度減少

0 00 0.01 0.02 0.03

0.04 _8日後

9日後 10日後 12日後 0日後

1日後 2日後 3日後 5日後

吸光度A [-

スクロース 吸光度減少

若干のパターン 変化

0.04 0.05 0.06

18日後 20日後

A [-] ^0日後 4日後 21日後

7日後

-0.01 0.00

グルコース 1036

変化

吸光度減少

-0 01 0.00 0.01 0.02

0.03 _22日後^21日後

23日後 30日後

吸光度A _7日後

11日後 14日後 16日後

吸光度減少

-0.01

0.03 0.04 0.05 0.06

12日後 14日後 15日後

度A [-] ^0日後 _3日後

6日後

フルクトース

1065

吸光度減少

-0.01 0.00 0.01

0.02 ^16日後

吸光度

9日後

0 06

0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

14日後 16日後 18日後 19日後 20日後

光度 A [-] _0日後 21日後

1日後 3日後 5日後 8日後 10日後

グルコース

＋ 吸光度減少

パタ ン変化

1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 -0.01

0.00

0.01 ^21日後

吸

波数 [cm^-1]

10日後

フルクトース パターン変化

タバコBY-2細胞の糖代謝挙動との比較

3.0 3.5 4.0

ｸﾞﾙｺｰｽ-ﾌﾙｸﾄｰｽ 混合糖培養

全糖 ｸﾞﾙｺｰｽ培養

ｸﾞﾙｺｰｽ ﾌﾙｸﾄｰｽ培養

ｽｸﾛｰｽ培養

アラビドプシス

全糖

1 5 2.0 2.5

3.0

ｸﾞﾙｺｰｽ-ｶﾞﾗｸﾄｰｽ

　混合糖培養 ｸﾞﾙｺｰｽ ﾌﾙｸﾄｰｽ

ﾏﾝﾉｰｽ培養 ﾏﾝﾉｰｽ ｶﾞﾗｸﾄｰｽ培養

ｶﾞﾗｸﾄｰｽ

g/l )]

0 0 0.5 1.0 1.5

(g/l/d)/( g

3.5 4.0

ｸﾞﾙｺｰｽ-ﾌﾙｸﾄｰｽ 混合糖培養 ｽｸﾛｰｽ培養

全糖 ｸﾞﾙｺｰｽ培養

ｸﾞﾙｺｰｽ ﾌﾙｸﾄ ｽ培養

0 20 40 60 80 100 120

0.0

速 度 [(

タバコＢＹ-２

2.0 2.5

3.0

^{混合糖培養 全糖}

ｸﾞﾙｺｰｽ-ｶﾞﾗｸﾄｰｽ 混合糖培養

全糖 ﾌﾙｸﾄｰｽ培養

ﾌﾙｸﾄｰｽ ﾏﾝﾉｰｽ培養

ﾏﾝﾉｰｽ ｶﾞﾗｸﾄｰｽ培養

ｶﾞﾗｸﾄｰｽ

比 消費 速 タバコＢＹ ２

0.5 1.0

1.5

^{ｶ ﾗｸﾄｰｽ}

比

0 20 40 60 80 100 120

0.0

培養期間 [d]

タバコBY-2細胞の糖代謝挙動との比較

3.0 3.5 4.0

ｸﾞﾙｺｰｽ-ﾌﾙｸﾄｰｽ 混合糖培養

全糖 ｸﾞﾙｺｰｽ培養

ｸﾞﾙｺｰｽ ﾌﾙｸﾄｰｽ培養

ｽｸﾛｰｽ培養

アラビドプシス

全糖

1 5 2.0 2.5

3.0

ｸﾞﾙｺｰｽ-ｶﾞﾗｸﾄｰｽ

　混合糖培養 ｸﾞﾙｺｰｽ ﾌﾙｸﾄｰｽ

ﾏﾝﾉｰｽ培養 ﾏﾝﾉｰｽ ｶﾞﾗｸﾄｰｽ培養

ｶﾞﾗｸﾄｰｽ

g/l )]

0 0 0.5 1.0 1.5

(g/l/d)/( g

3.5 4.0

ｸﾞﾙｺｰｽ-ﾌﾙｸﾄｰｽ 混合糖培養 ｽｸﾛｰｽ培養

全糖 ｸﾞﾙｺｰｽ培養

ｸﾞﾙｺｰｽ ﾌﾙｸﾄ ｽ培養

0 20 40 60 80 100 120

0.0

速 度 [(

タバコＢＹ-２

2.0 2.5

3.0

^{混合糖培養 全糖}

ｸﾞﾙｺｰｽ-ｶﾞﾗｸﾄｰｽ 混合糖培養

全糖 ﾌﾙｸﾄｰｽ培養

ﾌﾙｸﾄｰｽ ﾏﾝﾉｰｽ培養

ﾏﾝﾉｰｽ ｶﾞﾗｸﾄｰｽ培養

ｶﾞﾗｸﾄｰｽ

比 消費 速 タバコＢＹ ２

0.5 1.0

1.5

^{ｶ ﾗｸﾄｰｽ}

比

0 20 40 60 80 100 120

0.0

培養期間 [d]

タバコBY-2細胞の糖代謝挙動との比較

3.0 3.5 4.0

ｸﾞﾙｺｰｽ-ﾌﾙｸﾄｰｽ 混合糖培養

ｸﾞﾙｺｰｽ ｸﾄ

ｸﾞﾙｺｰｽ-ﾏﾝﾉｰｽ 　混合糖培養 ｸﾞﾙｺｰｽ

ﾉ ｸﾞﾙｺｰｽ-ﾌﾙｸﾄｰｽ

混合糖培養 ｸﾞﾙｺｰｽ

ｸﾞﾙｺｰｽ-ｶﾞﾗｸﾄｰｽ 　混合糖培養

ｸﾞﾙｺｰｽ

アラビドプシス

1 5 2.0 2.5

3.0

_{ﾌﾙｸﾄｰｽ}

全糖

ﾏﾝﾉｰｽ 全糖 ｸﾞﾙｺｰｽ-ｶﾞﾗｸﾄｰｽ 　混合糖培養

ｸﾞﾙｺｰｽ ｶﾞﾗｸﾄ ｽ

g/l )]

ｸ ﾙｺ ｽ ﾌﾙｸﾄｰｽ 全糖

ｸ ﾙｺ ｽ ｶﾞﾗｸﾄｰｽ 全糖

・グルコースが先に消費される

0 0 0.5 1.0

1.5

_{ｶ ﾗｸﾄｰｽ}

全糖

(g/l/d)/( g

・ガラクトースの取り込みが かなり早まる

0 10 20 30 40 50 60

0.0

速 度 [(

ｸﾞﾙｺｰｽ-ﾌﾙｸﾄｰｽ 混合糖培養

ｸﾞﾙｺｰｽ-ｶﾞﾗｸﾄｰｽ 混合糖培養

3.5 4.0

ｸﾞﾙｺｰｽ-ﾌﾙｸﾄｰｽ 混合糖培養

ｸﾞ

ｸﾞﾙｺｰｽ-ﾏﾝﾉｰｽ 混合糖培養

ｸﾞ ｽｸﾛｰｽ培養

ｸﾞﾙｺｰｽ ﾙｸﾄ ｸﾞﾙｺｰｽ培養

ｸﾞﾙｺｰｽ ﾌﾙｸﾄ ｽ培養

タバコＢＹ-２

比 消費 速

^{混合糖培養}

ｸﾞﾙｺｰｽ ﾌﾙｸﾄｰｽ 全糖

混合糖培養 ｸﾞﾙｺｰｽ ｶﾞﾗｸﾄｰｽ 全糖

2.0 2.5

3.0

_{ﾌﾙｸﾄｰｽ}^{ｸﾞﾙｺｰｽ}

全糖

ｸﾞﾙｺｰｽ ﾏﾝﾉｰｽ 全糖 ｸﾞﾙｺｰｽ-ｶﾞﾗｸﾄｰｽ 混合糖培養

ｸﾞﾙｺ ｽ ﾌﾙｸﾄｰｽ

全糖 ﾄﾚﾊﾛｰｽ培養

ｸﾞﾙｺｰｽ ﾏﾙﾄｰｽ培養

ﾏﾙﾄ ｽ ﾌﾙｸﾄｰｽ培養

ﾌﾙｸﾄｰｽ ﾏﾝﾉｰｽ培養

ﾏﾝﾉｰｽ ｶﾞﾗｸﾄｰｽ培養

ｶﾞﾗｸﾄ ｽ

タバコＢＹ ２

・グルコース → フルクトースの順

比

0.5 1.0

1.5

ｶﾞﾗｸﾄｰｽ^{ｸ ﾙｺｰｽ}

全糖 ﾏﾙﾄｰｽ

ｶ ﾗｸﾄｰｽ

グルコ ス → フルクト スの順

・ガラクトースの取り込みが早まる

0 10 20 30 40 50 60

0.0

培養期間 [d]

比消費速度の比較 （スクロース培養）

2.5

ｽｸ ｽ培養 2.0

ｽｸﾛｰｽ培養 ｱﾗﾋﾞﾄﾞﾌﾟｼｽ

全糖

)/(g/l)] ｸﾞﾙ

1.5

ｸﾞﾙｺｰｽ ﾌﾙｸﾄｰｽ ﾀﾊﾞｺBY-2

[(g/l/d ) 全糖

1.0

全糖 ｸﾞﾙｺｰｽ ﾌﾙｸﾄｰｽ

速 度 [ ﾈ

0.5

ｲﾈ

全糖 ｸﾞﾙｺｰｽ

消 費 速

15 10 5 0 5 10 15

0.0

ﾌﾙｸﾄｰｽ

比 消

-15 -10 -5 0 5 10 15

無次元培養期間 (t-t

0,x )/W x [-]

本日の発表

はじめに

 はじめに

 センシング対象とするマクロ生物情報

 マクロ生物情報の光センシング

 光センシング

 光センシング

 光センシングの特徴

マルチバンドセンシング例

 マルチバンドセンシング例

 赤外分光センシング

糖類 赤 分光特性

 糖類の赤外分光特性

 代謝関連情報のセンシング例

 コメの赤外分光特性

 おわりに

Graduate School of Bioresources

 おわりに

おわりに

 光センシングは， Phenomics 研究において多く の利点を有しているものと考えられる。

の利点を有して るもの 考えられる。

 光センシング情報と生物の特性を多角的な観点 から統合的に捉える必要があり 光センシング から統合的に捉える必要があり，光センシング 情報を理解しやすい表現に加工することが重要。

 光センシング手法の開発にくらべ センシング情

 光センシング手法の開発にくらべ，センシング情 報の統合化とその表示手法の研究が進んでい ない。情報可視化工学など複雑な情報を人間に 判読しやすい形式で可視化する技術研究が盛 判読しやす 形式で可視化する技術研究が盛 んにおこなわれており，光センシング情報との連 携・展開が必要

Graduate School of Bioresources

携 展開が必要。

ありがとう ありがとう ありがとう ありがとう

ございました ございました ございました ございました

Graduate School of

Bioresources