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 ofBioresources

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 ofBioresources

食品工業

物質・細胞から個体へO

CH2OHO

CH2OH

OH

OHO

OH

CH2OH

OOH

CH2OH

OHOH

OH

OHO

OHOH

O

CH2OH

OHOH

OH

OH

OH

OHOH

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 ofBioresources

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 ofBioresources

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 ofBioresources

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 ofBioresources

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 8000.0

吸

波数 [cm-1]2.5

[-]蛍

報

1 01.52.0 Ca K

RhLRhL

強度

l/lR

hL

第一花房開花時 N1

N1/2

蛍光

線分

XCa

0.00.51.0 Ca KK KRhLS KP KSi 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

0正規

70 90

]

情報

60 70

色相

H [-

]

色相H 彩度

S [-]色

彩情報

0 0.25 0.5 150 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 [℃

]

mol

/ m

2 / s

度

[%] 気象情報

10100

200

20

40

温度

PFD

[μ

m

湿度

色彩情報

60

80Before

一眼レフ (RAW)高性能WEB(JPEG)

After

0 00

PP

20

40汎用型WEB(JPEG)

相 H

[-]

-20

0

色相

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 ofBioresources

野 線 線 線

赤外吸収のまとめ

Graduate School ofBioresources

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 ofBioresources

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 ofBioresources

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HH22OO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 01.11.2

2.0MグルコースH2O溶液H O

0 70.80.91.0 H2O

[-] OH変

角

0.50.60.7

光度 A

[

会合OH伸

縮

0.20.30.4

吸光

OH会

4000 3500 3000 2500 2000 1500 10000.00.1

対称伸縮 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HH22OO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

0.110.120.13

6 -O

HC-4-O

H

-H

Glc

0.080.090.100.11

[-]

ース

環

C-O

CO

( 環),

C-4-O

, C-6

C-O-

C-1

OH

α-D

-G

0.050.060.070.08

光度

A [

H 6

ピラノー

C-C

, C C C

CH

2O

0.020.030.040.05

吸光

H

H

OHOH

O

OH

CH2OH

12

45

1200 1150 1100 1050 1000 9500.000.010.02

HH

H OH 13

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0.30M0.30MののHH22OO溶液中の単糖類スペクトル溶液中の単糖類スペクトル

0 120.13

0 090.100.110.12

グルコース マンノース ガラクトースタロース

0 060.070.080.09 タロ ス

度

A [-

]

0 030.040.050.06

吸光度

0 000.010.020.03

1200 1150 1100 1050 1000 9500.00

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）

0.120.13

0 090.100.11 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 (α1 4)

0.070.080.09 マルトース (α-1,4)

イソマルトース (α-1,6)

A [-

]

0.040.050.06

吸光度

0 010.020.03吸

1200 1150 1100 1050 1000 9500.000.01

波数 [cm-1]

グルコース水溶液の赤外分光特性

0 18

0.120.140.160.18

9 3- 320

0

[-]

吸光度スペクトル

0 040.060.080.10

107

9- 1

033

363

- 292

5

-

Abso

rban

ce

0 20

4000 3000 2000 10008000

0.020.04

- 13

1

A

0.15

0.20 2925 cm-1

1079 cm-1

1033 cm-1

[-]

Wavenumber [cm-1]

0 05

0.10

Abs

orba

nce

0 0.5 1.0 1.5 2.00

0.05A

検量線

Graduate School ofBioresources

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

0.160.18

50 90 -

吸光度スペクトル

0.100.120.140.16

10 99

30

320 0

nce

[-]

吸光度スペクトル

0 020.040.060.08

- 137

0- 29 3

Abs

orba

n

0.302930 cm-1

4000 3000 2000 10008000

0.02

Wavenumber [cm-1]0 15

0.20

0.252930 cm

1050 cm-1

999 cm-1

nce

[-]

0.05

0.10

0.15A

bsor

ban

検量線

0 0.5 1.0 1.5 2.00

Molar concentration [M]

検量線

3 0

4 0

F T IR /A T R th d

s u c r o s e g lu c o s e f r u c to 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 - IR /A T R m e th o d

once

ntra

tio

定量結果の比較

赤外分光法1 0

lcul

ated

co赤外分光法

（分光分析）

0( a )C

al

4 0

s u c r o s el/l]

3 0 H P L C m e th o d

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

ntra

tion

[g/

HPLC（液クロ）法

1 0

2 0

ted

conc

enHPLC（液ク ）法（分離分析）

0 1 0 2 0 3 0 4 00

1 0

( b )Cal

cula

t

Graduate School ofBioresources

0 1 0 2 0 3 0 4 0A c tu 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

]

350400450500

350400450500

0 04

0.05

0.06

]

350400450500

0 04

0.05

0.06

]

350400450500

0 04

0.05

0.06

]

350400450500

0 04

0.05

0.06

]

350400450500

0 04

0.05

0.06

]

350400450500

0 04

0.05

0.06

]

350400450500

0 04

0.05

0.06

]

0.02

0.03

0.04

光 度 [-

150200250300

[mv]

150200250300

[mv]

0.02

0.03

0.04

光 度 [-

150200250300

[mv]

0.02

0.03

0.04

光 度 [-

150200250300

[mv]

0.02

0.03

0.04

光 度 [-

150200250300

[mv]

0.02

0.03

0.04

光 度 [-

150200250300

[mv]

0.02

0.03

0.04

光 度 [-

150200250300

[mv]

0.02

0.03

0.04

光 度 [-

150200250300

[mv]

0.02

0.03

0.04

光 度 [-

0.00

0.01吸

-500

50100

-500

50100

0.00

0.01吸

-500

50100

0.00

0.01吸

-500

50100

0.00

0.01吸

-500

50100

0.00

0.01吸

-500

50100

0.00

0.01吸

-500

50100

0.00

0.01吸

-500

50100

0.00

0.01吸

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]

SucroseGlucoseFructose

Spectra of water and aqueous solutionsSpectra of water and aqueous solutionsInfluence of NaClNaCl concentration on GlucoseGlucose-NaClNaCl aqueous solutionsaqueous solutions

3400 cm-1 3250 cm-1

1 5

1.21.31.41.5

Glucose-NaCl aqueous solutionsNaCl concentration

Water

Fingerprintregion

0 80.91.01.1

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 [-

]

0.50.60.70.8 1.0 [M] 3.5 [M]

1.5 [M] 4.0 [M]*Glucose concentration 2.0 [M]

orba

nce

OHstretching

0 10.20.30.4

Abs

4000 3500 3000 2500 2000 1500 10000.00.1

W b [ -1]

Graduate School ofBioresources

Wavenumber [cm-1]

Extracted spectrum of glucose in aqueous solutionExtracted spectrum of glucose in aqueous solutionSubtracted 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 solutionof water and the molar concentration of solution

InteractionInteraction

1515

GlucoseGlucose NaClNaCl WaterWater GlucoseGlucose NaClNaCl

111.21.31.41.5

111.21.31.41.5

2.0[M]

4.0[M]

2.0[M]

4.0[M]

0.70.80.91.01.1

Glucose in Glucose-NaCl aqueous solutionance

A [-

]

0.70.80.91.01.1

Water Glucose-NaCl aqueous solution

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

ance

A [-

] [ ] [ ] [M] [ ]

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

Abs

orba

020.30.40.50.6

Abs

orba

4000 3500 3000 2500 2000 1500 10000.00.10.2

1

4000 3500 3000 2500 2000 1500 10000.00.10.2

1

Graduate School ofBioresources

Wavenumber [cm-1]Wavenumber [cm-1]

Spectra of glucose in aqueous solutions with NaClSpectra of glucose in aqueous solutions with NaClSpectra in fingerprintSpectra in fingerprintregion (1200 region (1200 –– 950 cm950 cm--11))

Influences of Influences of NaClNaCl concentconcent--ration on functional groups ration on functional groups ofof gl cosegl cose

09 016

of of glucoseglucose

InteractionInteraction Absorption bands shiftedto lower wavenumbers

0.7

0.8

0.9NaCl concentration

0.0 [M] 2.0 [M] 0.1 [M] 2.5 [M]05[M] 30[M]

0.12

0.140.16

NaCl concentration 0.1 [M] 2.5 [M] 0.5 [M] 3.0 [M]

0 M [-

]

to lower wavenumbers

04

0.5

0.60.5 [M] 3.0 [M] 1.0 [M] 3.5 [M] 1.5 [M] 4.0 [M]

*Glucose concentration 2.0 [M]

ance

A [-

]

0.06

0.080.10 1.0 [M] 3.5 [M]

1.5 [M] 4.0 [M] 2.0 [M]

A -

AN

aCl 0

.00.2

0.3

0.4

Abs

orba

0.000.02

0.04

orba

nce

A

1200 1150 1100 1050 1000 9500.0

0.1

[ 1]

1200 1150 1100 1050 1000 950-0.04-0.02

1

Abs

o

Graduate School ofBioresources

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

有機酸糖リン酸 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による変化p

0 0010

0.0012

2.11

0.0008

0.0010 2.80 5.18 5.786 20

[M-

1 ]

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 8000.0000

波数 [cm-1]波数 [cm ]

Abs (ν,pH)=Abs0(ν)C0(pH)+Abs1 (ν)C1 (pH)+ Abs2 (ν)C2 (pH)

ATPの解離成分スペクトル

0.0018

ATP4-

0 0012

0.0015 ATP4-

ATP3-

ATP2-]

0.0009

0.0012

ATP

s/C[M-1 ]

0.0006Abs/

0.0003

1800 1600 1400 1200 1000 8000.0000

波数 [cm-1]

ATP, ADP, AMPの離成分スペクトルの比較

0.00180.00180.0018

ATP3

0 0012

0.0015 ADP2-

] 0 0012

0.0015

AMP-] 0 0012

0.0015 ATP3-]

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/

0.00030.00030.0003

1800 1600 1400 1200 1000 8000.0000

波数 [cm-1]

1800 1600 1400 1200 1000 8000.0000

波数 [cm-1]

1800 1600 1400 1200 1000 8000.0000

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 ADPATP

グルコース フルクトースD-グルコース

-1,6-ビスリン酸

PiPi-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

0.06Tris buffer: 100 mMG6P: 20 mMF6P: 10 mM

pH7.0 pH7.5pH8 0

0.03

0.04

bs [-

]

pH8.0 pH8.5 pH9.0 吸光度スペクトル

0.0002Tris buffer: 100 mMG6P 20 M

0.01

0.02

Ab

0.0000

0.0001G6P: 20 mMF6P: 10 mM

1200 1150 1100 1050 1000 950 9000.00

Wavenumber [cm-1]

-0.0001d2 Abs

pH7.0 pH7.5pH8 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 pH8.0 pH8.5 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

νAbsdCνAbsdC

νAbsdCνAbsdCCCCνAbsd mix

F6P,22

F6P,2F6P,12

F6P,1

G6P,22

G6P,2G6P,12

G6P,1TrisF6PG6P2

,,pH,,

νAbsdCνAbsdC Tris,02

Tris,0Tris,12

Tris,1

,,,,

νAbsdνAbsdC

νAbsdνAbsdC

F6P,22

F6P,2F6P,12

F6P,1F6P

G6P,22

G6P,2G6P,12

G6P,1G6P

pHpH

pHpH

G6P,2G6P,1G6P,1H KKK

G6P

νAbsdνAbsdC Tris,02

Tris,0Tris,12

rirs,1Tris pHpH

2

F6P,2F6P,1F6P 22

F6P,1F6P 1

G6P,2G6P,1G6P,12

G6 ,G6 ,G6P,2

G6P,2G6P,1G6P,12

G6 ,G6P,1

,H

HH ,

HH

KKK

KKKKKK

G6P

F6P

Tris

TrisTris,0

TrisTris,1

F6P,2F6P,1F6P,12F6P,2

F6P,2F6P,1F6P,12F6P,1

H ,

HH

HHHH

KK

K

KKKKKK

F6P

Tris TrisTris

Comparison of Calculated Values with Actual Ones110

9.5

TrisH80

90

100

onc.

[mM

]9.0

d pH

Tris Conc.

pH

60

70

Cal

cula

ted

co

8.0

8.5

Cal

cula

ted

40

40

40 50 60 70 80 90 100 11040

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

]

G6PConc

F6PConc

20

cula

ted

conc

.[

20

cula

ted

conc

.[. .

0 10 20 30 400

10

(c) G6P concentration

Cal

c

0 10 20 30 400

10

(d) F6P concentration

Cal

c

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

MIR Spectroscopic Monitoring Results(G6P and F6P concentrations)35

( )

253035

c. [m

M]

MIR spectroscopic determination calculation

152025

P C

onc

1015

20

M]

G6P

101520

ce. [

mM

05

10

6P C

onc

0 20 40 60 80 100-50

R i i [ i ]

MIR spectroscopic determination calculationF6

Reacting time [min]

糖代謝経路培地スクローススクロース

インベルターゼ等

グル スグル ス クトクト

培地スクローススクロース

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 スクロース

フルクトース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

糖代謝経路培地スクロ ススクロ ス グルコ スグルコ ス＋＋フルクト スフルクト ス

グルコースグルコースフルクトースフルクトース

培地スクローススクロース 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 スクロース

フルクトース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？

0 040.050.06

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

0 000.010.020.030.04 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

0.040.050.06

18日後 20日後21日後

A [-

] 0日後 4日後7日後

-0.010.00

グルコース 1036

変化

吸光度減少

-0 010.000.010.020.03 21日後

22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

0.030.040.050.06

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

-0.010.000.010.02 16日後

吸光

度

9日後

0 06

0.020.030.040.050.06

14日後 16日後 18日後 19日後 20日後21日後

光度

A [-

] 0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 950 900-0.010.000.01

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

3.03.54.0

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 全糖アラビドプシス

1 52.02.53.0

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 00.51.01.5

(g/l/

d)/(g

3.54.0

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 1200.0

速度

[(

タバコＢＹ-２

2.02.53.0

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

0.51.01.5

ｶ ﾗｸﾄｰｽ比

0 20 40 60 80 100 1200.0

培養期間 [d]

タバコBY-2細胞の糖代謝挙動との比較

3.03.54.0

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 全糖アラビドプシス

1 52.02.53.0

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 00.51.01.5

(g/l/

d)/(g

3.54.0

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 1200.0

速度

[(

タバコＢＹ-２

2.02.53.0

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

0.51.01.5

ｶ ﾗｸﾄｰｽ比

0 20 40 60 80 100 1200.0

培養期間 [d]

タバコBY-2細胞の糖代謝挙動との比較

3.03.54.0

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 52.02.53.0

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 00.51.01.5 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 50 600.0

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

3.54.0

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

2.02.53.0 ｸﾞﾙｺｰｽ

ﾌﾙｸﾄｰｽ 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

0.51.01.5 ｸ ﾙｺｰｽ

ｶﾞﾗｸﾄｰｽ 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 50 600.0

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

全糖ｸﾞﾙ

)/(g/

l)]

1.5

ｸﾞﾙｺｰｽ ﾌﾙｸﾄｰｽ

ﾀﾊﾞｺBY-2全糖

[(g/l/

d)

1.0

全糖 ｸﾞﾙｺｰｽ ﾌﾙｸﾄｰｽ

ﾈ

速度

[

0.5

ｲﾈ 全糖 ｸﾞﾙｺｰｽ消

費速

15 10 5 0 5 10 150.0

ﾌﾙｸﾄｰｽ

比消

-15 -10 -5 0 5 10 15

無次元培養期間(t-t0,x)/Wx [-]

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 ofBioresources

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 ofBioresources