アクアフォトミクス

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アクアフォトミクス:水の役割を理解するための新しい科学

Aquaphotomicsは、神戸大学農学部の生物測定技術研究所のRoumianaTsenkova教授によって導入された新しい「オミクス」分野です。 この新しい分野の主な目的は、さまざまな摂動下でこれらのシステムの水電磁(EM)スペクトルを監視することにより、生物学的および水系における水分子システムの役割を理解することです。

Aquaphotomicsは、水EMスペクトルパターンを、それぞれのシステム機能に直接関連する多次元の全体的なマーカーとして提示します。 アクアフォトミクスは、生物学的および水系の水が物質とエネルギーの「鏡」として機能するという発見に基づいているため、そのスペクトルパターンを使用してシステム全体を特徴付けることができます。 これは、ウォーターミラーアプローチ(WAMA)とも呼ばれます。

Water Mirror Approach
WAter Mirror Approach (WAMA)

Aquaphotomics:セグメント化されたアプローチからグローバルなアプローチへ

水は、人間の健康、食料安全保障、持続可能な開発、そして環境にとってかけがえのない資源です。 水系および生物学的システムにおける水の役割を理解することは非常に重要です。 歴史的に、水の特性は広く研究されてきました。 X線分光法からTHz分光法まで、水自体の化学を研究するためにさまざまな方法が適用されてきました。 しかし、これらの技術が水分子に関する貴重な情報を提供してくれたとしても、環境と相互に関連する相互依存する接続された機能システムとして水に焦点を当てるのとは対照的に、一般に、水は孤立した/別個の化学的および物理的主題としてのみ焦点を当てます。

同様に、生物学の観点から、ごく最近まで、生物学者は、システムのすべてのコンポーネントの寄与を考慮せずに、特に水を考慮せずに、自然現象に関連する単一の生体分子を特定することに焦点を当ててきました。

ただし、単一の生体分子の機能は分子構造に大きく関係しており、分子構造はシステムのすべてのコンポーネントの影響を受けるため、生体分子は周囲のコンポーネントから分離されているとは見なされません。 さらに、それらの分子構造は、周囲の水分子との水素結合の作成に大きく関係しています。

したがって、アクアフォトミクスでは、生物水系の水分子構造は、それぞれのシステムの機能を反映するグローバルな「ミラー」と見なされます。

水はさまざまな分野でさまざまな方法で研究されており、それらすべてが独自の特定の用語を使用しているため、科学的発見をある領域から別の領域に変換することは非常に困難です。 Aquaphotomicsは、さまざまな分野間で水に関する調査結果を翻訳するために、「文字」が水帯であり、水スペクトルパターンがさまざまな現象を識別する「単語」である「水語彙」の構築を開始する機会を提供します。

Aquaphotomics:新しい「オミクス」分野

還元主義者から全体論的アプローチへ

ゲノミクス、プロテオミクス、メタボロミクス、その他の「オミクス」は、生命科学に革命をもたらしました。 しかし、彼らは孤立した要素を研究しているため、システムをその部分にまで減らしています。

より全体論的な見方は、システム生物学と機能的な「オミクス」分野によって部分的に対処されています。 これらは、プロテオミクス、トランスクリプトミクス、メタボロミクスの情報を統合して、細胞生物学の理解を深めます。

Aquaphotomicsは、他のすべての「オミクス」分野を網羅する真の全体論的アプローチとして導入されています。 Aquaphotomicsは、システムを部分的に縮小することなく、システム全体を監視します。 アクアフォトミクスは、さまざまな摂動下で以前に取得した「ビッグスペクトルデータ」を使用し、1つの水スペクトルのみを分析することで、機能に関する洞察と、他のすべての「オミクス」分野で調査されたシステムのコンポーネントを提供します。

Aquaphotomics encompasses all other
Aquaphotomics encompasses all other “omics” approaches

静的で破壊的なアプローチから動的で非破壊的で非侵襲的なアプローチまで

さらに、例えば ゲノミクスとプロテオミクスは、データベースを作成し、生物学的プロセスを理解するためにそれらをさらに使用するため、個々の要素(遺伝子、タンパク質)を一度に1つずつ分離する必要があり、そのような分析は非常に時間と手間がかかります。 さらに、分析されたオブジェクトを破棄する必要があるため、プロセスの単一の時点(静的)画像のみが提供されます。 生物学的プロセスの速度、可塑性、および多因子依存性を考慮すると、このような静的な1つずつのアプローチをより動的でリアルタイムの方法に置き換える必要があることは明らかです。

ダイナミクスの側面は、特定の瞬間における細胞の生理学のスナップショットを取得できるメタボロミクスプロファイリングによって部分的に対処されています。 メタボロミクスとアクアフォトミクスはまったく異なるアプローチを取っていますが、同じ問題を解決しようとしています。つまり、相互接続の時間依存情報を使用して、プロセスを体系的に一目で確認できます。 メタボロミクスとは対照的に、アクアフォトミクスは測定によってサンプルを破壊しないため、同じオブジェクトを高速、非破壊、非侵襲的、継続的に調査できるため、進行中のプロセスを動的に監視できます。

水と光の相互作用のダイナミクスとその生物学的機能との関係を理解することにより、アクアフォトミクスは、生物学的システムの単一要素を説明する他の「オミクス」分野で得られた知識をまとめ、水が生物学的および水系で行うように、システム全体のレベルにアップグレードします。 。

アクアフォトミクスと従来の分光法アプローチ

アクアフォトミクスは、従来の分光法とは根本的に異なります。

  • ほとんどのNIR-IR分光法の研究では、吸水帯は実際の情報をマスクしていると見なされます。 目的の分子の吸光度をよりよく「見る」ために、グルコースは吸水帯の外側で測定されるか、水が蒸発します。 対照的に、アクアフォトミクスでは、水のスペクトルパターンが主な情報源と見なされます。 水は、システムのマトリックス、「エンベロープ」、「足場」です。
  • アクアフォトミクスでは、個々の分子の存在ではなく、システムの「機能性」が鍵となります。
  • ほとんどの従来の分光法研究では、システムを診断できるように個別のコンポーネントごとにモデルが作成され、モデルを組み合わせるとエラーが増加し、不正確な結果が生成されます。 アクアフォトミクスでは、個々の成分を探す代わりに、水のスペクトルパターンが全体的なマーカーとして使用され、このマーカーを監視することで、3つ以上のシグマの違いがあるシステムの変化に関する情報を提供できます。

Aquaphotomicsは、スペクトルの可視(VIS)および近赤外(NIR)範囲で十分に開発されています。 NIR範囲は、生きている生物および水系の非侵襲的測定に最適なウィンドウです。NIR光は水中に深く浸透し、完全には吸収されないため、から戻ってくる光のスペクトルを測定できます。 溶液中のすべての物質とエネルギーと相互作用した後の水。

現在、従来のNIR分光分析の分野では、より多くの科学者/化学者が情報源として水スペクトルデータを含めています。 アクアフォトミクスを研究することは、科学者が生物学的および水系における水の機能を理解するのに役立ちます。

Aquaphotomicsの語彙

水吸収帯 (WAB):水吸収帯は、特定の摂動のステップに応答して光学密度(OD)の変動が最も大きくなるスペクトルバンドです。 ウォーターバンドは、システムの水の分子構造と機能に関する情報のハブです。 アクアフォトミクスでは、ウォーターバンドは文字と呼ばれます。

WAter MAtrix CoordinateS (WAMACS):WAter MAtrix CoordinateSは、生物学的および水系のVIS-NIR範囲(および残りのEMスペクトル)の水スペクトルに対するさまざまな摂動の影響に関する情報を取得して提示するために導入されました。 WAMACSは、水バンドが最も高い確率で検出されるスペクトル範囲です。 WAMACSは情報のハブであり、水の分子構造に割り当てられています。 水の最初の倍音については、12個のWAMACSが実験的に発見されており、これらはIR範囲ですでに報告されている水バンドの倍音計算によって確認されています。 WAMACS内のWABの正確な位置は、生物水系および摂動ごとに異なります。

水スペクトルパターン (WASP):すべての摂動および生物水系に対して特定の水バンド(文字)が見つかります。 これらのそれぞれの水バンドでの正規化された光学密度(OD)は、対象の摂動(単語)ごとに特定の水スペクトルパターン(WASP)を作成します。 WASPは、システムの機能に直接関連する全体的なマーカーとして使用できます。

アクアグラム:アクアグラムは、星図での水スペクトルパターン(WASP)の視覚化です。ここで、軸は、それぞれの摂動に対して検出された水バンドです。 水の最初の倍音については、アクアグラムの軸は以前に発見された12のWAMACSに基づいています。 各WABの正確な位置は、特定のスペクトルデータセット(システムと摂動)に基づいています。 これらの軸を使用して、同じシステムの異なるシステムまたは条件を比較できます。 システムの詳細な分析のために、新しいWABを発見し、軸として使用することができます。

Aquaphotome:Aquaphotomeは、1)既存のすべての水バンドと、水分子構造に関連する割り当て、および2)システムごとの機能と摂動の解釈を含む水スペクトルパターンの包括的なデータベースです。 Aquaphotomeの開発は、水と光の相互作用のアルファベットを書くことと見なすことができます。ここで、WABは文字であり、WASPは単語です。 アクアフォトーム全体は、システムごとのアクアフォトームと摂動で構成されています。

水鏡アプローチ (WAMA):Aquaphotomicsは、物質とエネルギーの鏡である水の特性を発見して使用します。 複雑なシステムのすべてのコンポーネントは、水分子システムによって「反射」されると想定されています。 水スペクトルパターンによって記述される水の分子構造/システムは、システム内の残りのコンポーネントに関する情報を提供します。