knapsack family databases: integrated metabolite–plant species databases for multifaceted plant...

1

2014 3月富山 PCP受賞記念

Plant Cell Physiol. 53(2): e1(1–12) (2012)

ボゴール農大

奈良先端大

千葉大

理研横浜

前橋工科大学

[0]バイオインフォマティクス

[1]生物種-代謝物関係DB（KNApSAcK Core)

[2]配合生薬DB

[3]今後の課題(on going works)

徳島文理大

k

細胞の働きと遺伝子の関係を研究してノーベル賞を受けた

シドニー・ブレンナー氏は、来日した時こんな冗談を言った。

「DNAは何の訳だと思う？」

本村有紀子著「理系思考分からないから面白い」

毎日新聞社(2007)

2

k




Don’t (K)Now Anything.

何もわかならいってこと」。DNAだけですべて説明できるほ

ど、人間は単純じゃない。だからおもしろい。」



3

k




Don’t (K)Now Anything.

何もわかならいってこと」。DNAだけですべて説明できるほ

ど、人間は単純じゃない。だからおもしろい。」

バイオインフォマティクスで解明しよう。



4

5

[0]バイオインフォマティクスバイオインフォマティクスバイオインフォマティクスバイオインフォマティクス

a

b c

d e f g

h i k m

j l

5’

5’3’

3’

A B C D E F G H I J K L MProtein

A B C D EF

G H I JK L MFunction

Unit

代謝物 1 代謝物2 代謝物3

代謝物4

Metabolite 5

Metabolite 6

B C

D EF

I L

H KMetabolic Pathway

G

Activation (+)A

GRepression (-)

ab c

d e f gh i k m

j l5’

5’3’3’

ゲノムゲノムゲノムゲノム:

トランスクリプトームトランスクリプトームトランスクリプトームトランスクリプトーム：

プロテオームプロテオームプロテオームプロテオーム

メタボロームメタボロームメタボロームメタボローム

�FT-MS

生体要素生体要素生体要素生体要素

(ゲノムゲノムゲノムゲノム, mRNAs,

たんぱく質たんぱく質たんぱく質たんぱく質, 代謝物代謝物代謝物代謝物)

生命をシステムとして理生命をシステムとして理生命をシステムとして理生命をシステムとして理

解解解解

(Systems Biology)

生物間の関係生物間の関係生物間の関係生物間の関係

(Survival Strategy)

6

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

Co

nn

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Co

nn

ect

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log

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ctiv

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伝統知識と現代的知識の融合: KNApSAcK Family データベース

217ヵ国

48,256対の薬用植物と使用国の関係

709種の食用生物

336種の漢方処方

278種生薬

5310の配合処方

1133種生薬

50048種の代謝物

101500対の生物種-代謝物の関

係

配合配合配合配合メタボロミクスメタボロミクスメタボロミクスメタボロミクス

薬用植物薬用植物薬用植物薬用植物生理活性生理活性生理活性生理活性治療法治療法治療法治療法プロテオミクスプロテオミクスプロテオミクスプロテオミクス

トランスクリプトミクストランスクリプトミクストランスクリプトミクストランスクリプトミクス

植物植物植物植物/微生物微生物微生物微生物Omicis薬用・食用薬用・食用薬用・食用薬用・食用

知識ベース知識ベース知識ベース知識ベース

メタボロミクスメタボロミクスメタボロミクスメタボロミクスプロテオミクスプロテオミクスプロテオミクスプロテオミクス


9056 対の代謝物-生物活性の関

係

2,500 生物種-代謝反応の

関係

3708種の組み合わせ

414種食材

309種加工食品

261種食材

602種の食用植物

403種の代謝物

33703 対の生物種対の生物種対の生物種対の生物種-活性の関係活性の関係活性の関係活性の関係

1949 種の活性種種の活性種種の活性種種の活性種

1533 種の生物種種の生物種種の生物種種の生物種

ヒトヒトヒトヒト/生物生物生物生物Omics

0

7


生物生物生物生物生理活性生理活性生理活性生理活性機能性機能性機能性機能性プロテオミクスプロテオミクスプロテオミクスプロテオミクス


有用生物有用生物有用生物有用生物ヒトヒトヒトヒト/生物生物生物生物

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

薬用・食用薬用・食用薬用・食用薬用・食用




ヒトヒトヒトヒト-生物関係システムズバイオロジー生物関係システムズバイオロジー生物関係システムズバイオロジー生物関係システムズバイオロジー

生物システムズバイオロジー生物システムズバイオロジー生物システムズバイオロジー生物システムズバイオロジーヒトシステムバイオロジーヒトシステムバイオロジーヒトシステムバイオロジーヒトシステムバイオロジー

The Fourth Paradigm Data-intesive Scientific Discovery

オミックス研究をヒトオミックス研究をヒトオミックス研究をヒトオミックス研究をヒト-生物の関係に拡張すると生物の関係に拡張すると生物の関係に拡張すると生物の関係に拡張すると…

Afendi et al., Systems Biology Approaches and Metabolomics for Understanding

Japanese Traditional Kampo Medicine,

Cur. Pharmacogenomics Personalized Med., 10, 111-124, (2012)

Okada et al,Metabolomics of medicinal plants: the importance of multivariate analysis of

analytical chemistry data

Current Computer Aided Drug Design, 10, 179-196,, (2010)

Republic of

the Philippines

Republik

Indonesia

Republic

of Kenya

中中中中华华华华人民共和国人民共和国人民共和国人民共和国

Malaysia

People's Republic

of Bangladesh小野

賀久(M)

日本

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

Plant HumanMedicinal&Edible Plant DB

Ingredient Metabolomics

Biology

Biological

Activity

Functional Proteomics

TranscriptomicsMetabolomicsProteomics

Transcriptomics

Genome Biology Bio-simulation Biometric Medical

Engineering

Healthcare

Database

Japan

0


薬用植物薬用植物薬用植物薬用植物生理活性生理活性生理活性生理活性機能性機能性機能性機能性プロテオミクスプロテオミクスプロテオミクスプロテオミクス


植物植物植物植物ヒトヒトヒトヒト/生物生物生物生物

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・





生物種・代謝物生物種・代謝物生物種・代謝物生物種・代謝物DB

[1]KNApSAcK: 生物種-代謝物関係データベース

9

0

10

0

600

±1 ±0.1 ±0.01 ±0.001

候補分子式の数候補分子式の数候補分子式の数候補分子式の数

精密分子量精密分子量精密分子量精密分子量: 226.0477

251

321

Chorismic acid Isochorismic acid

597

FT-MS� 分子の精密分子量を測定できる (ppm)]

KNApSAcK: 生物種生物種生物種生物種-代謝物関係データベース代謝物関係データベース代謝物関係データベース代謝物関係データベース

±±±±1 ±±±±0.1 ±±±±0.01 ±±±±0.001

分子式分子式分子式分子式候補代謝物候補代謝物候補代謝物候補代謝物

Since 2004

(Mw ±±±± margin )

C10H10O6

LTQ-Orbitrap MS

high accurate MW for

metabolites <5ppm

resolution: 30,000

（FWHM ＠ m/z 400）

HCD Collision Cell ）

0

11

代謝物 1 代謝物 2 代謝物 3

代謝物 4

代謝物 5

代謝物 6

B C

D EF

I L

H K

Interpretation of Metabolome

生物種

分子量と分子式

フラグメンテーションパターン

代謝物情報

生物種生物種生物種生物種代謝物代謝物代謝物代謝物

生物サンプル

生物種-代謝物DB

Experimental Information

MS MS MS MS

代謝経路推定代謝経路推定代謝経路推定代謝経路推定

PNAS, 101, 10205-10210,(2004））））

1年年年年/ 2 研究者研究者研究者研究者 (Bottleneck)

MS ３日３日３日３日

0

12

データ入力履歴

0000

5,0005,0005,0005,000

10,00010,00010,00010,000

15,00015,00015,00015,000

20,00020,00020,00020,000

25,00025,00025,00025,000

30,00030,00030,00030,000

35,00035,00035,00035,000

40,00040,00040,00040,000

45,00045,00045,00045,000

50,00050,00050,00050,000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

4月月月月？月？月？月？月

代謝物数代謝物数代謝物数代謝物数

逐次入力システム逐次入力システム逐次入力システム逐次入力システム

41歳歳歳歳

0

13


0000

5,0005,0005,0005,000

10,00010,00010,00010,000

15,00015,00015,00015,000

20,00020,00020,00020,000

25,00025,00025,00025,000

30,00030,00030,00030,000

35,00035,00035,00035,000

40,00040,00040,00040,000

45,00045,00045,00045,000

50,00050,00050,00050,000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010




41歳歳歳歳

0

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0000

5,0005,0005,0005,000

10,00010,00010,00010,000

15,00015,00015,00015,000

20,00020,00020,00020,000

25,00025,00025,00025,000

30,00030,00030,00030,000

35,00035,00035,00035,000

40,00040,00040,00040,000

45,00045,00045,00045,000

50,00050,00050,00050,000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010




植物化学シンポジウム植物化学シンポジウム植物化学シンポジウム植物化学シンポジウム

41歳歳歳歳

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15


0000

5,0005,0005,0005,000

10,00010,00010,00010,000

15,00015,00015,00015,000

20,00020,00020,00020,000

25,00025,00025,00025,000

30,00030,00030,00030,000

35,00035,00035,00035,000

40,00040,00040,00040,000

45,00045,00045,00045,000

50,00050,00050,00050,000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010




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5,0005,0005,0005,000

10,00010,00010,00010,000

15,00015,00015,00015,000

20,00020,00020,00020,000

25,00025,00025,00025,000

30,00030,00030,00030,000

35,00035,00035,00035,000

40,00040,00040,00040,000

45,00045,00045,00045,000

50,00050,00050,00050,000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010



逐次入力システム逐次入力システム逐次入力システム逐次入力システム一括入力システム一括入力システム一括入力システム一括入力システム

41歳歳歳歳

0

17


0000

5,0005,0005,0005,000

10,00010,00010,00010,000

15,00015,00015,00015,000

20,00020,00020,00020,000

25,00025,00025,00025,000

30,00030,00030,00030,000

35,00035,00035,00035,000

40,00040,00040,00040,000

45,00045,00045,00045,000

50,00050,00050,00050,000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

一括入力システム一括入力システム一括入力システム一括入力システム

重複チェックシステム重複チェックシステム重複チェックシステム重複チェックシステム



41歳歳歳歳

0

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0000

5,0005,0005,0005,000

10,00010,00010,00010,000

15,00015,00015,00015,000

20,00020,00020,00020,000

25,00025,00025,00025,000

30,00030,00030,00030,000

35,00035,00035,00035,000

40,00040,00040,00040,000

45,00045,00045,00045,000

50,00050,00050,00050,000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010





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0000

5,0005,0005,0005,000

10,00010,00010,00010,000

15,00015,00015,00015,000

20,00020,00020,00020,000

25,00025,00025,00025,000

30,00030,00030,00030,000

35,00035,00035,00035,000

40,00040,00040,00040,000

45,00045,00045,00045,000

50,00050,00050,00050,000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010




代謝物数代謝物数代謝物数代謝物数 49,553/2010.3年年年年

41歳歳歳歳

0

20


0000

5,0005,0005,0005,000

10,00010,00010,00010,000

15,00015,00015,00015,000

20,00020,00020,00020,000

25,00025,00025,00025,000

30,00030,00030,00030,000

35,00035,00035,00035,000

40,00040,00040,00040,000

45,00045,00045,00045,000

50,00050,00050,00050,000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010





50,054代謝物代謝物代謝物代謝物

102,009 生物種生物種生物種生物種-代謝物関係代謝物関係代謝物関係代謝物関係

/2010.3年年年年

ノウハウの蓄積ノウハウの蓄積ノウハウの蓄積ノウハウの蓄積

41歳歳歳歳

0

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0000

5,0005,0005,0005,000

10,00010,00010,00010,000

15,00015,00015,00015,000

20,00020,00020,00020,000

25,00025,00025,00025,000

30,00030,00030,00030,000

35,00035,00035,00035,000

40,00040,00040,00040,000

45,00045,00045,00045,000

50,00050,00050,00050,000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010





50,054代謝物代謝物代謝物代謝物

102,009 生物種生物種生物種生物種-代謝物関係代謝物関係代謝物関係代謝物関係

/2010.3年年年年

ノウハウの蓄積ノウハウの蓄積ノウハウの蓄積ノウハウの蓄積

41歳歳歳歳

ꄠԄ

22

How many metabolites in organisms?植物植物植物植物 (Predicted)

-- 200,000 種の代謝物がある。

D. Strack and R. Dixon (2003)

既知天然物既知天然物既知天然物既知天然物

-- 50,000 /植物植物植物植物, Luca and Pierre, (2000)

-- 43,000 entries Chapman & Hall

KNApSAcK(last updata 2009/10/5)

-- 50,054 代謝物代謝物代謝物代謝物

102,009 生物種生物種生物種生物種-代謝物の関係代謝物の関係代謝物の関係代謝物の関係

モデル生物モデル生物モデル生物モデル生物

Arabidopsis thaliana

-- 5,000 ca. 1/3 of 1200 protein types

Human

-- 2,500 Ryals (2004)

Bacteria (E. coli, B. subtilis)

-- 800 – 1700

Chemotaxonomy

生物-代謝物の関係の体系化

--天然物における生物進化

--遺伝子-代謝物関連解析

--メタボロミクス解析

長寿、持続、安全社会

-- 食品化学

日本は食材の宝庫

-- 医薬学

健康維持

(新規ドラッグの探索)

㳀

地球上で生合成される天然物の数は？

KNApSAcK Core DB

Species Metabolite

20,741 sp 50,048 met

101,500 sp-met..

scale freescale free (partial)

log [天然物の数天然物の数天然物の数天然物の数] = −2.155 log 生物種の数生物種の数生物種の数生物種の数] +4.813

r = 0.973

DB中の正味の代謝物数: 98,800 種

顕花植物 223,300 種/ DB: 20,741 種

地球上の天然物の数：1060,000 種

Plant Cell Physiol.53, e1(1-12) (2012)

23

炐ء

24

生物活性のある代謝物数の予測: 13 -36万種

0000

1000100010001000

2000200020002000

3000300030003000

4000400040004000

5000500050005000

6000600060006000

7000700070007000

0000 10,00010,00010,00010,000 20,00020,00020,00020,000 30,00030,00030,00030,000 40,00040,00040,00040,000

Asia

Others

China

Indonesia

India

Malaysia

the US

ThailandVietnam

Hungary

JordanSri LankaBulgaria

PhilippinesNepalFrance

Korea

Pakistan

Japan

(Schippmann et al.,(2006)を改変して作成

薬用

植物

の報

告数

薬用

植物

の報

告数

薬用

植物

の報

告数

薬用

植物

の報

告数

自生植物数自生植物数自生植物数自生植物数

13万代謝物数

36万代謝物数

Afendi et al Plant Cell Physiol.(2012)

炐ء

Davey, M.P., et al., Metabolomics, (2009) 18 papers-2009 (Red, Foreign country)

Hounsome, N. et al., Postharvest Biol. Technol., (2009)

Xie,Z., et al., J.Exp.Botany,60, 87-97, (2009)

Giavalisco, Anal.Chem.(2009)

Draper et al., BMC Bioinformatics, (2009)

Shroff et al., PNAS (2009)

Yonekura-Sakakibara and Saito, Nat. Prod. Rep., 26, 1466-1487 (2009)

Oish et al., Plant Biotechnol.,26,167-174 (2009)

Kai et al., Plant Biotechnol, 26, 175-182(2009)

Matsuda et al., ProS One, 4, e7490.1-10(2009)

Malitsky, S.,., et al., Plant Physiol., (2008) 17 papers-2008

Warner, E., et al., J.Chromatography B,(2008)

Fait, A., et al., Plant Physiol., 148, 730-750 (2008)

Mintz-Oron, S., et al., Plant Physiol., 147, 823-851, (2008)

Hanhineva, K., et al., Phytochemistry, 69, 2463-2481 (2008)

Bottcher,C., et al., Plant Physiol.,147,2107-2120, (2008)

Farder, A. et al., J. Nutrition, 138, 1282-1287, (2008)

Mintz-Oron, S., et al., Plant Physiol.,147,823-825, (2008)

Overy, D.P., et al., Nature Protocols, 3, 471-485, (2008)

Dunn, W.B., Physical Biol.,5, 1-24, (2008)

Akiyama, K., In Silico Biol., 8, 27, (2008)

Sawada, Plant Cell Physiol., (2008)

Arita,M. and Suwa, K., BioData Mining, 1,7.1-8 (2008)

Saito, K. et al., Trends in Plant Sci.,13, 36-43, (2008)

Akiyama, K., et al., In Silico Biol., 8, 339-345, (2008)

Takahashi, H., Anal. Bioanal Chem. (in press) (2008)

Iijima, Y., et al., Plant J., 54, 949-962, (2008)

Want, E.J. et al., J. Proteome Res., 6, 459-468, (2007) 10 papers-2007

Sofia, M., et al., Trends in Anal. Chem., 26, 855-866, (2007)

Hummel, J., et al., Topics in Curr. Genet., 18, 75-95, (2007)

Gaida, A., and Neumann, S., J. Int. Bioinf., (2007)

Griffiths,W.J.,Metabolomics,Metabolonomics and Metabolite Profiling,(Royal Soc.Chem.),2007

Ohta, D., et al., Anal.Biol. Chem.(2007)

Nakamura, Y., et al., Planta, (2007)

Suzuki, H., et al., Phytochemistry, (2007)

Sakakibara, K., et al., , J .Biol. Chem.,282, 14932-14941, (2007)

Saito, K. et al., Trends in Plant Sci., 13, 36-42, (2007)

Kikuchi, K and Kakeya, H., Nature Chem. Biol., 2, 392-394, (2006) 4 papers-2006

Oikawa, A.,et al., Plant Physiol., 142, 398-413, (2006)

Shinbo, Y., et al., Biotchnol. Agric. Forestry, 57, 166-181, (2006)

Shinbo, Y., et al., J. Comput. Aided Chem., 7, 94-101, (2006)

since 2004

Web-sites linked to KNApSAcK

(WikiBook) http://en.wikibooks.org/wiki/Metabolomics/Databases

(UC Davis）））） http://fiehnlab.ucdavis.edu/staff/kind/Metabolomics/Structure_Elucidation/

KNApSAcKによるによるによるによるMetabolomics 研究研究研究研究: １１７か国からアクセス１１７か国からアクセス１１７か国からアクセス１１７か国からアクセス

～１００～１００～１００～１００

25

㳀

KNApSAcK Family�KNApSAcK Core System

マニュアルマニュアルマニュアルマニュアル

26

)

KNApSAcK Keyword Search Web Versionの画面

1.Metabolite(代謝物）を選択する。

2.「 Gibberelin A4 」と入力する。

3.Listボタンをクリックする。

Gibberellin A4

27

炐ء

Fungi

Bacteria

Plantae

Gibberellin A4

中村建介氏

(前橋工科大学)

との共同研究

28

炐ء

[2]配合生薬(機能性食品)とヒトの効能の

関係

29

炐ء

植物の多目的利用データベース

植物の食・薬用利用植物の食・薬用利用植物の食・薬用利用植物の食・薬用利用

30

炐ء

31


薬用植物薬用植物薬用植物薬用植物生理活性生理活性生理活性生理活性機能性機能性機能性機能性プロテオミクスプロテオミクスプロテオミクスプロテオミクス


植物植物植物植物ヒトヒトヒトヒト

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・

・・・





)

Kansai Airport

Kuala LumpurSingapore

Jakarta

Bali

8-9 hours

32

炐ء

私の経験では B

日本日本日本日本の腹痛の腹痛の腹痛の腹痛

インドネシアでの腹痛での腹痛での腹痛での腹痛

日本の生薬日本の生薬日本の生薬日本の生薬

××××

緩和せず緩和せず緩和せず緩和せず

すぐに緩和すぐに緩和すぐに緩和すぐに緩和

徐々に緩和徐々に緩和徐々に緩和徐々に緩和

インドネシア配合生薬インドネシア配合生薬インドネシア配合生薬インドネシア配合生薬

(ジャムウジャムウジャムウジャムウ)

Psidium guajava Psidii Folium 24% (Daun jambu biji: leaf);

Curcuma domestca Curcuma Domesticae Rhizoma 20%

Coix lacrymajobi Coicis Lacrymae-jobii Semen 41% (Biji jali : L. semen);

Terminaliae chebulae Terminaliae Chebulae Fructus 8%

Punica granatum Granati Pericarpium 7% (Kulit delima : percarpium)

Phellodendron amurense (Rutaceae ミカン科）のコルク層を除いた樹皮から抽出)

Curcuma zedoaria（Zingiberaceae ショウガ科）の根茎を通例湯通ししたもの)

Geranium thunbergii（Geraniaceae フウロソウ科）の地上部)

腹痛の地域多様性

33

襀؟

34

Design of JamuDB(Collaborated with Indonesia Univ. Group)

Herb.��Jamu Formula��Composition of Herb.��KNApSAcK DB

# of Herbs: 1133

# of Jamu: 5310

Dr Afendi

Bogor Agric. Univ.

IPB JAMU DB http://jamu.ipb.ac.id/

襀؟

漢方配合とインドネシア配合生薬Jamuの比較

KAMPO DB

JAMU DB

Formula Med. PlantGroup

Formula Med. Plant

1,581 fomulas 278 sp.

5,310 fomulas 5,310 sp.

3,363 fm-sp.

25,436 fm-sp.

スケール・フリー

生物種の数

8 種

5 種

5

sp. formula

配合生薬の数

配合

生薬

の数

生物

種の

数生

物種

の数

配合

生薬

の数

配合生薬の数生物種の数

35

ᐠ�

36

漢方配合漢方配合漢方配合漢方配合

インドネシアインドネシアインドネシアインドネシア

ジャムウ配合ジャムウ配合ジャムウ配合ジャムウ配合

⊃⊃ ⊃⊃⊃⊃ ⊃⊃

�� 地域特異性が高い地域特異性が高い地域特異性が高い地域特異性が高い

Farit Mochamad Afendi, Tetsuo Katsuragi, Akira Kato, Noritaka Nishihara,Kensuke Nakamura, Yukiko Nakamura, Ken

Tanaka, Aki Hirai Morita, Altaf-Ul-Amin, Hiroki Takahashi and Shigehiko Kanaya

Systems Biology Approaches and Metabolomics for Understanding Japanese Traditional Kampo Medicine

Current Pharmacogenomics and Personalized Medicine,, 10, 111-124 111 (2012)

今後の課題1: LUNCHBOX: 日本人の飽くなき挑戦！

37

襀؟

9,584 代謝物-活性関係

2,356 代謝物

140 活性カテゴリー

2,963 生物活性

778 対象種

今後の課題2 : Metabolite Activity DB

(二次)代謝物-生物活性関係DB

38

Nakamura, Y. et al. Plant Cell Physiol., 55: e7(1-9). 2014

KNApSAcK metabolite activity database for retrieving the relationships between

metabolites and biological activities

相同性検索相同性検索相同性検索相同性検索BLASTP

代謝物代謝物代謝物代謝物-生物関係情報生物関係情報生物関係情報生物関係情報

今後の課題3: 二次代謝物生合成DB

Ikeda et al., Plant Cell Physiol.,54: 711-727, 2013

39

今後の課題4: 代謝物とヒトの健康との関連づけ

40

knapsack family databases: integrated metabolite–plant species databases for multifaceted plant...

Technology