糖質 13C-NMRパーソナルデ−タベース

吉野 輝雄

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I.　はじめに

　著者は以前に、糖質研究活動を支援する実用的な1H-NMRパーソナルデータベース("H1-NMR GlycoData"）をカード型データベースソフトウエアであるファイルメーカーpro(クラリス社）を用いて作成し発表した［1］。今回、その姉妹品として 糖質13C-NMRデータベースを作成し、1H-NMRデータと組み合わせて利用する機能を加えたのでここに報告する。

II.　操作環境

ハードウエア；
　Macintoshコンピュータ（CPU 86020以降の上位機種）、主記憶：5MBytes 以上
　ハードデ2スク：記録容量はデータの読み出しや保存のために大きいほどよい。
　モニター：表示色を変えるとデータ識別が容易になるためカラーの方がよい。
ソフトウエア；
　ファイルメーカーpro（クラリス社）

III.　機能と特徴

　基本的な機能と特徴は、糖質1H-NMRパーソナルデータベース［1］と同様である。要約すると、
1.　糖質13C-NMRデータ（化学シフト値）を測定条件、文献とともにデータベースとして保存管理する。
2.　NMRデータに糖質構造式を組み合わせて視覚的に表示する。
3.　カード型データベースであるファイルメーカーpro（以下、FMと略す）のすぐれた操作性、検索・並び換え機能、フィールド（カードを構成するデータの種類）の追加、画面表示の変更・追加等を最大限に活用する。
4.　検索されたデータ（化学シフト値）について、平均値、最大最小値、標準偏差値等の統計処理計算を自動的に行う。
　以上は、糖質1H-NMRデータベースと共通の特徴であるが、13C-NMRデータと1H-NMRデータを組み合わせて同一画面に表示する機能を付け加えた。これにより、糖質研究者が構造未知の糖質のNMRスペクトルを解析する実際の場面に近い環境が用意されたことになる。また、天然の糖脂質や糖タンパク質などの複合糖質中にしばしば見いだされる九単糖・ノイラミン酸にも対応する入力フィールドを用意した。

IV.　データベースの構成とデータ入力／出力法

1. データの入出力

　1H-NMRデータベースと同様に単糖を一つのカード（一組のデータ）として入力する。オリゴ糖鎖の場合には、各糖鎖ごとに入力する。糖鎖の種類、置換基、測定溶媒はメニュー一覧から選択して入力する。構造式（画像データ）は、適当な化学構造式作画ソフトで作画後、画像フィールドに貼り込む。
　データ入力画面以外に５つのデータ出力モード（画面表示）が用意されており、各モードは1H-NMR版と対応している。
● 完全カード型データ表示
　 画面全体にすべてのフィールドおよび統計処理データを表示する。
● 縮小カード型データ表示
　 １画面に３個のカードを３段に表示する（「プレビュー」(印刷内容の確認)モードと する）。
● 構造式とNMRデータの組み合わせ表示
　 構造式とNMRデータを組み合わせ視覚的にデータ表示する。１画面に6個のレ コードを同時表示する。
● 一覧表データ表示
一例として、「縮小カード型データ表示」を図1に示す。

　各表示モードへの切り替えは、「初期モード選択画面」でボタン選択するか、もしくは、各表示モードの下方部分に表示される切替ボタンをクリックすることによって行う。
　なお、統計処理計算（化学シフト値の平均値、最大最小値、標準偏差値）は画面に表示されているデータについて自動的に実行され、その結果が「一覧表データ表示」として表示される（但し、「プレビュー」モードにする）。言うまでのないことだが、統計処理計算は、糖鎖の種類を限定（検索）してから行わないと意味のない結果を与える。


図1　縮小カード型データ表示

V.　使 い 方[3]

1.　ソフトウエアの立ち上げ、データ表示

　データベースファイル（C13-NMR GlycoData)をダブルクリックするとFMが立ち上がり、「初期モード選択画面」（図2）が現われる。つぎに希望の表示モードをクリックすると直ちにデータが表示される。また、各表示モード下の切替ボタンによっても画面表示を切り替えることができる。


図2　初期モード選択画面　

2.　データの検索、ソート法

　データベースにおいては、データの入出力にもまして検索とソート機能が実用性の優劣を決定する。この点、FMには通常用いる一通りの検索機能が整っており、パーソナルデータベースとしては十分である。個々の検索機能についてはすでに1H-NMR版の中で述べたのでここでは繰り返さない。
　検索とソート機能を組合せるとデータベースとしての実用性がさらに増す。そこで、典型的な検索・並び換えを連続的に実行するボタンを「初期モード選択画面」の中に用意した。すなわち、FMに備わっている「スクリプト」機能（指定された一連の操作手順を実行するプログラム）を利用して、まず「糖鎖の種類」で検索し、「化学シフト値」で並び換えを行なってから統計処理の結果を表示までの一連の操作を実行するボタンである。

3.　1H-と13C-NMRデータの組合せ表示

　本データベースは構造的に1H-NMRデータベースと共通点が多い。その事を生かした本データベースの特徴的な機能について述べる。それは、1H-と13C-NMR版の両方に同一サンプルのデータが収納されている場合に、両データを組合せ表示する機能である。これは、FMに備わっている「ルックアップ機能」［3］を利用することによって実現した。
　ルックアップ機能とは、他のFMファイルのレコードの中から照合条件を満たすデータだけを移入する機能のことである。データ照合のために、ここでは、tempo ID（照合名）というフィールドを1H-と13C-NMR版の両方につくり、それぞれに照合用の番号または名前を入力する。例えば、単糖の場合にはそれぞれ１とすればよいだろう。オリゴ糖の場合には、糖鎖の結合順に1、2、3---と照合番号を付ける。これで準備完了である。つぎに、「H1 +C13」という名前を付けた組合せ表示用のファイルを開き、tempo IDフィールドに上と同じ照合番号を入力する。「ブラウズ」モードでtempoIDを選択（反転）した状態で、「編集」メニューから「再ルックアップ」を選ぶと、照合条件を満たす1H-および13C-NMRデータが移入される（以上の手順を図3に示す）。


図3　1H-と13C-NMRデータの組合せ手順　

　組合せしたデータ（「H1+C13」ファイル）はつぎの３種の画面表示することができる。
　● 完全カード方式による組合せ表示
　● 表一覧方式による比較表示
　● 構造式方式による比較表示
　完全カード方式による組合せ表示および表一覧方式による比較表示の例を図4、5に示す。なお、組合せファイルには、置換基データおよび統計処理データは含まれない。


図４　表一覧方式による比較表示


図5　完全カード方式による1H-および13C-NMRデータの組合せ表示

VI.　考　察

　本データベースは、13C-NMRデータを保存・管理し、NMRスペクトルによって糖質の構造を決定する場合の参照データとして使いやすい形にしてある点に第一の特徴がある。さらに、先に発表した1H-NMRデータベース［1］と組み合わせ使用が可能な点が第二の特徴である。
　現在、糖質の構造決定においてNMRスペクトルが最も有力な手段であると言ってよいだろう。一般に、構造決定には1H-と13C-NMRスペクトルを併用する。複雑な糖鎖構造の完全解析には、COSY, HOHAHA, CH-Hetero COSY, NOESY等［4］の２次元NMRスペクトル技法が用いられるが、通常は解析済みのデータを参照して帰属が可能なケースも多い。ここに、NMRデータベースの有用性がある。殊に、天然産糖質の大部分はピラノース環構造をもつヘキソースの誘導体、あるいは複数の糖鎖が連なるオリゴ糖、多糖類であるため、実際のスペクトルはシグナルの重なりが多く解析を困難の原因となっているが、一旦解析されればそれらを定型フィールドデータとして管理することができる点が糖質の特徴である。
　1H-NMRデータベースと同様、本データベースも糖質化学者用のパーソナルデータベースを目指して作成したので、カード型データベースFMを用いることにした。これにより、簡単な操作でデータ入力・検索・並び換え・表示・フィールドの改変ができる環境が実現した。それだけでなく、後述するように13C-と1H-NMR両データの組み合わせ表示が可能となった。そして、操作をさらに簡便にする工夫をいくつか加えた。例えば、画面表示の切り替え、一連の統計処理計算手順をボタン一つで実行できるようにしてあるので、ほとんどマニュアルなしでも操作が可能である。
　その反面で、データ数が多くなると処理時間が長くなるという欠点が出てくる。実用性の観点からは、数100個のデータであれば処理が速いので問題を感じないが、1000個を越えるようになると処理の遅さが気になるだろう。使用目的にもよるが、そのような場合には、FMの特徴を利用して、本データベースから画像フィールド（構造式）やいくつかのフィールドを削除し、身軽なデータベースを別個に作れば処理速度の問題が軽減する［3］。
　本データベースは、13C-NMR版としての単独利用だけでなく、FMの「ルックアップ機能」を利用して13C-と1H-NMRデータを組み合わせ表示できるところに大きな特徴がある。糖化学者が一つのサンプルについて両方のスペクトルを測定・解析することは研究の現場においては普通のことであるので、この機能は有用であると考えられる。

VII.　あとがき

　本報文に示したテンプレートを含む83個のサンプルデータおよび組合せ表示用のファイルを化学ソフトウエア学会・無償利用ソフトとする［5］。

VIII. 参考文献および注

1) 吉野 輝雄, 糖質研究者用・糖質 1H-NMRデ−タベース, J. Chem. Software, 2, 196-205 (1995).
2) 現在利用可能な13C-NMRデータベースとしては、例えば、a) SDBS%NMRデータベース（ 1H-および13C-NMR）, 化学技術研究所.　b) POLYSPECS-1 高分子化合物用（1H-および13C-NMR）, (株)クラレ.　c) C13 NMR Data Bank, (株)BASF.　d) Sadtler 13CNMR Spectral Search Libraries, (株)Sadtlerなどがある。
 3) ファイルメーカーproの一般的な使い方およびデータベースに特有な用語については、ユーザーズマニュアル（クラリス社）、あるいは、岩谷香里, 「ファイルメーカーproパーフェクトマニュアル」, アスキー社などを参照されたい。
 4）稲垣冬彦, NMRによる糖脂質糖鎖構造の解析, 蛋白質 核酸 酵素, 37, 2060-2065(1992).
 5) 無償利用ソフト「糖質 1H-NMRデ−タベース」をバージョンアップした。主な改良点は、1) 13C-NMRデータとの組合せ表示のデモが可能となるようにサンプル数を120に増加、2) 表示メニュー切替ボタンの導入、3) ノイラミン酸のデータ入力をサポートしたことである。
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