JP2006330852A - Compound organic substance quality comparing device and system using biopattern sensing, and recording medium - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は発酵物や複合組成有機物の性状比較に有用な、複合有機物品質比較装置およびシステムおよび記録メディアに関する。 The present invention relates to a composite organic matter quality comparison apparatus and system and a recording medium useful for comparing properties of fermented products and composite composition organic matter.
一般に、発酵物等の複合組成有機物の性状を比較するための手段としては、臭い・粘度・色調等の感覚的な判別と、分析等による科学的・客観的方法に大別される。 In general, the means for comparing the properties of complex composition organic substances such as fermented products are roughly classified into sensory discrimination such as odor, viscosity and color tone, and scientific and objective methods based on analysis.
発酵物の評価を専ら経験や勘によって判断するといった旧来型の評価法は、限定的であり、情報の客観性(製法の数値的・統計的な確認)、普遍性(他場のデータとの比較やフィードバック)に乏しい。 Traditional evaluation methods, such as judging the evaluation of fermented products based solely on experience and intuition, are limited, and the objectivity of information (numerical and statistical confirmation of manufacturing methods) and universality (with other data) Poor comparison and feedback).
その一方で、物理的性状や化学組成、微生物等の分析結果による性状比較は客観的であるものの、複合組成有機物中には数多くの物質や微生物が共存しているため、特定のターゲットについての分析結果だけでは、発酵物の比較判別がつかない場合が多く、特に発酵途上の中間生成物については、その傾向が顕著である。 On the other hand, although physical properties, chemical composition, and property comparisons based on analysis results of microorganisms are objective, many substances and microorganisms coexist in the composite composition organic matter, so analysis of specific targets In many cases, the comparison of fermented products cannot be made only with the results, and the tendency is particularly remarkable for intermediate products during fermentation.
このような点から発酵物等の比較評価は極めて困難であり、故に当該課題に関する国内特許は極めて少なく、特許公開2000−109386「有機廃棄物の堆肥化方法及び堆肥化物の評価方法」が見られる程度であったが、本発明の発明人らが本発明に先行して出願した、特許公開2004−208533「発酵物の品質評価システムおよび記録メディア」では、これまでの個々の物質ベース・微生物ベースといった定性方法としての分析の利用ではなく、分析結果における各物質・微生物をセンサーと見なし、その複合パターンによって発酵物等の分類・評価を行うといった革新的なシステムが考案され、発酵物評価の新たな方法論が示された。
上記特許文献2記載の発明は、サンプル中の個々の構成要素微生物、若しくは化学物質の有無および定量値を得て、その結果としての数値データの集合パターンとして扱うものであるから、個々の要素の固定や識別、定量を行う操作が必要であってコスト高の原因となり、且つ、数値データの抽出目的対象に含まれないところの波形全体の細徴な差異を含有した比較解析が不可能である。 The invention described in Patent Document 2 obtains the presence / absence and quantitative value of individual constituent microorganisms or chemical substances in a sample, and treats them as a set pattern of numerical data as a result. Operation that performs fixing, identification, and quantification is necessary, which causes high costs, and comparative analysis that includes fine differences in the entire waveform that are not included in the extraction target of numerical data is impossible .
そこで、本発明は上記欠陥に鑑み、之を解消することを目的とする。 In view of the above defects, an object of the present invention is to eliminate such problems.
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、検出手段、記憶手段、呼出手段、演算手段、出力手段を具備することを特徴とする、複合有機物サンプルの品質比較装置およびシステム、および入力手段、記憶手段、呼出手段、演算手段、出力手段を具備することを特徴とする、複合有機物サンプルの品質比較装置およびシステム、をそれぞれ提供する。 The present invention has been proposed to achieve the above object, and comprises a quality comparison apparatus and system for composite organic matter samples, comprising a detection means, a storage means, a calling means, a calculation means, and an output means, And a quality comparison device and system for a composite organic matter sample, each comprising an input means, a storage means, a calling means, a calculation means, and an output means.
本発明のプロセスによれば、サンプル直接もしくはサンプル抽出物の分析により検出さ
れた入力された一のバイオパターンセンシングデータをデータベースに格納し、同じくデータベース中に格納された、任意の他のバイオパターンセンシングデータとの類縁関係を演算する。これらの値を基にして評価対象複合組成有機物の類似性評価を行う。
According to the process of the present invention, one input biopattern sensing data detected by sample direct or sample extract analysis is stored in a database, and any other biopattern sensing also stored in the database. Calculate affinity with data. Based on these values, the similarity of the evaluation target composite composition organic material is evaluated.
本発明による装置およびシステムのうち、バイオパターンセンシングデータの検出手段に係る部分は、専用の装置に加えて、例えば汎用分析装置における実用についても想定している。 Of the apparatus and system according to the present invention, the part relating to the biopattern sensing data detection means assumes practical use in a general-purpose analyzer, for example, in addition to a dedicated apparatus.
汎用分析装置としては、HPLC(高速液体クロマトグラフィー)や、キャピラリー電気泳動装置、FT−IR(フーリエ変換赤外分光スペクトル分析)装置等が挙げられるが、これらの例示は他の分析方法によるバイオパターンセンシングデータの取得を妨げるものではない。 Examples of general-purpose analyzers include HPLC (High Performance Liquid Chromatography), capillary electrophoresis devices, FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) devices, etc., but these examples are bio patterns by other analysis methods. It does not prevent the acquisition of sensing data.
本発明においては、その制御手段として一般的な汎用電子計算機装置(いわゆるパーソナルコンピュータ)を利用した汎用分析装置の実用についても想定している。 In the present invention, the practical use of a general-purpose analyzer utilizing a general-purpose electronic computer device (so-called personal computer) as the control means is also assumed.
このような汎用分析装置においては、分析条件・データ取得条件等を本発明に係るアプリケーション実行プログラム、もしくはプログラム動作用データによって分析装置に供することで、目的の分析に適合した分析を装置に実行させ、適切なデータを取得することが可能となる。 In such a general-purpose analyzer, the analysis conditions, data acquisition conditions, etc. are provided to the analyzer by the application execution program according to the present invention or program operation data, thereby causing the apparatus to execute an analysis suitable for the target analysis. It is possible to obtain appropriate data.
本発明によるシステムのうち、入力手段、記憶手段、呼出手段、演算手段、出力手段は専用の装置に加え、一般的な汎用電子計算機装置(いわゆるパーソナルコンピュータ)における実用についても想定している。
この電子計算機装置は上述の汎用分析装置用の電子計算機装置と共用されることを妨げない。
In the system according to the present invention, the input means, storage means, calling means, calculation means, and output means are assumed to be practically used in general general-purpose electronic computer devices (so-called personal computers) in addition to dedicated devices.
This electronic computer apparatus does not prevent the electronic computer apparatus from being shared with the above-described electronic computer apparatus for the general-purpose analyzer.
本発明の実行プログラムは記録メディアより、当該装置に接続された記録メディア読取装置を介して計算機装置に供することができる。また、本発明のシステムにおけるデータの入力・選択および評価結果の出力は、計算機装置に接続された、または計算機装置と一体型のモニターディスプレイの画面上で行われることを想定している。 The execution program of the present invention can be provided from a recording medium to a computer apparatus via a recording medium reader connected to the apparatus. Further, it is assumed that data input / selection and evaluation result output in the system of the present invention are performed on the screen of a monitor display connected to the computer apparatus or integrated with the computer apparatus.
本発明によれば、例えば豚の生産管理・評価法において、豚糞性状に基づく生育管理を実施することが可能となる。 According to the present invention, for example, in the production management / evaluation method for pigs, it is possible to carry out growth management based on the properties of pig feces.
例えば具体的には、腸内菌相を直接反映していると考えられる排糞直後の家畜糞便をターゲットにして、本発明に基づいたサンプル間の類似性の数値的な解析を行うことで、生育品質に応じたグルーピングや、微生物資材の定着・効果の検証を客観的に行うことができる。 For example, specifically, by targeting livestock feces immediately after excretion, which is considered to directly reflect the intestinal microflora, by performing a numerical analysis of the similarity between samples based on the present invention, It is possible to objectively perform grouping according to growth quality and verification of the establishment and effect of microbial materials.
これによってロット間・農場間の客観的な品質差の検討が手軽に行えるようになり、特に抗菌剤の廃止や生菌剤・発酵飼料の導入時の効果の検証のための強力な支援ツールとなり、これらを通じ、国内の養豚産業をより安全かつ高品質な方向へと導き、結果的に輸入肉に対する優位性を増大させることができる。 This makes it possible to easily examine objective quality differences between lots and between farms, and it is a powerful support tool for verifying the effects when abolishing antibacterial agents and introducing live bacteria and fermented feed. Through these, the domestic pig farming industry can be led to a safer and higher quality direction, and as a result, the advantage over imported meat can be increased.
本発明によれば、例えば発酵乳製品・酒類・漬物・味噌等の発酵食品や発酵飼料の品質評価や、リサイクルによる堆肥化過程やメタン発酵等のエネルギー転換系における発酵段階ごとの状態の確認が容易に可能となる。 According to the present invention, for example, quality evaluation of fermented foods and fermented feeds such as fermented dairy products, alcoholic beverages, pickles and miso, and confirmation of the state of each fermentation stage in an energy conversion system such as composting process by recycling and methane fermentation Easy to do.
発酵物等の客観的な品質の確認や比較、適切な製造方法の評価、あるいは商材の新規開発・改良等を推進するためには、これまでブラックボックスとされてきたインプット(原材料)とアウトプット(製品)の中間に相当する発酵系におけるリアルタイムの変動をキャッチし、またその情報に対し的確に評価を行うシステムの確立が必要不可欠であると考えられる。 In order to promote objective quality confirmation and comparison of fermented products, evaluation of appropriate manufacturing methods, new development and improvement of products, etc., inputs (raw materials) and outputs that have been regarded as black boxes so far are used. It is indispensable to establish a system that catches real-time fluctuations in the fermentation system corresponding to the middle of the product (product) and accurately evaluates the information.
本発明の方法の導入によって、例えば発酵途上の状態の分類・品質管理の数値化が可能となれば、発酵状態の経時変化等、日常の品質管理で生じる膨大なデータ管理が統一化・簡略化されると共に、品質の維持向上のための微細な運転条件の調整を、数値指標をもとにして、より正確に実施することができる。 If the method of the present invention can be used to classify the state of fermentation and quantify the quality control, for example, it will unify and simplify the huge amount of data management that occurs in daily quality control, such as changes in fermentation state over time In addition, fine adjustment of operating conditions for maintaining and improving quality can be performed more accurately based on numerical indices.
本発明の方法によれば、例えば、複合有機物の分解・発酵系の通常の運転条件下から採取したサンプルのバイオパターンセンシングデータを、発酵・分解時における温度、通気性、投入する基質の種類及び量的割合、基質投入および産物取出間隔、系内滞留時間、攪拌回数等の物理的分解・発酵条件の一部を調節し、運転を行った際のサンプルのバイオパターンセンシングデータと比較して、その品質を検証する利用法が挙げられる。 According to the method of the present invention, for example, biopattern sensing data of a sample collected from the normal operating condition of the decomposition / fermentation system of complex organic matter, temperature at the time of fermentation / decomposition, air permeability, type of substrate to be input and Compared with the biopattern sensing data of the sample at the time of operation, adjusting some of the physical decomposition and fermentation conditions such as quantitative ratio, substrate input and product extraction interval, residence time in the system, number of stirring, etc. The usage to verify the quality is listed.
本利用法により、例えば品質を維持したまま原材料の追加や変更が可能かどうかの検討や、処理時間の短縮による処理効率向上の検討など、分解・発酵系の運転条件の変更に伴う品質の検証を実施することができる。 With this usage method, for example, examination of whether or not raw materials can be added or changed while maintaining quality, and examination of improving processing efficiency by shortening the processing time, etc., verification of quality accompanying changes in the operating conditions of the decomposition and fermentation system Can be implemented.
また、例えば既存の分解・発酵系の通常の運転条件下から採取したサンプルのバイオパターンセンシングデータを、試験用に開発された小規模試験発酵装置を同条件下で運転した際に採取したサンプルのバイオパターンセンシングデータと比較して、その再現性を検証することができる。 In addition, for example, biopattern sensing data of a sample collected under the normal operating conditions of an existing decomposition / fermentation system can be obtained from a sample collected when a small-scale test fermentation apparatus developed for testing is operated under the same conditions. Compared with biopattern sensing data, its reproducibility can be verified.
本利用法により、試験発酵装置を用いた分解・発酵系の再現試験の信頼性を検証し、より精度の高い試験発酵装置の開発、および再現試験の実施条件の調整が可能となる。 This utilization method verifies the reliability of the reproducibility test of the decomposition / fermentation system using the test fermenter, makes it possible to develop a test fermenter with higher accuracy and adjust the conditions for performing the reproducible test.
バイオパターンセンシングデータの類似性比較によって、分解・発酵系における特定の品質の維持管理を主な目的とした品質管理方法が提供されるが、さらに例えば系内の微生物種、系内物質の化学的な定性・定量値に関する各種データおよび発酵物の品質に関する各種データ等を、類似性データと共にサンプル毎に記憶・呼出可能なデータベース装置に一元的に保管する行程を追加することによって、バイオパターンセンシングデータおよび類似性データを発酵物の品質の「インデックス」として利用した、化学状態等のデータの管理・検索が可能となり、結果的に分解・発酵系における品質の向上を目的とした品質管理方法を提供可能となる。 By comparing the similarity of biopattern sensing data, a quality control method is provided mainly for the purpose of maintaining a specific quality in the degradation / fermentation system. Biopattern sensing data by adding a process to store various data related to qualitative and quantitative values and various data related to fermented product quality together with similarity data in a database device that can be stored and recalled for each sample. And similarity data can be used as an “index” of fermented product quality to manage and search data such as chemical state, resulting in a quality control method aimed at improving the quality of decomposition and fermentation systems. It becomes possible.
本発明は、共通の方法によつて、あらゆるサンプル・分野、及び、多様な分析方法に対応できるように、複数のメリットを有する効果的なシステムを構築すると云う目的を検出手段、記憶手段、呼出手段、演算手段、出力手段を具備することを特徴とする、複合有機物サンプルの品質比較装置およびシステム、および入力手段、記憶手段、呼出手段、演算手段、出力手段を具備することを特徴とする、複合有機物サンプルの品質比較装置およびシステムをそれぞれ提供することにより実現した。 The present invention aims at constructing an effective system having a plurality of merits so that it can be applied to various sample / fields and various analysis methods by a common method. Characterized in that it comprises a quality comparison apparatus and system for composite organic matter samples, and an input means, a storage means, a calling means, a computing means, and an output means. It was realized by providing a quality comparison device and system for composite organic matter samples, respectively.
以下、図面等に基づいて本発明の好適な実施例を詳細に説明する。図1に本発明の実施の形態を実行する、複合有機物品質比較装置およびシステム1のハードウェア構成図を示す。複合有機物品質比較装置およびシステム1は、分析装置3、電子計算機装置5、入力
装置7、記録メディア読取装置9、プログラム記録媒体11、モニターディスプレイ13、データベース15等から構成される。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a hardware configuration diagram of a composite organic matter quality comparison apparatus and system 1 that executes an embodiment of the present invention. The complex organic matter quality comparison device and system 1 includes an analysis device 3, an electronic computer device 5, an input device 7, a recording media reader 9, a program recording medium 11, a monitor display 13, a database 15, and the like.
プログラム記録媒体11は、本発明の実施の形態に係るプログラムを格納したハードディスク、CD−ROM、DVD−ROM、MOディスク、フレキシブルディスク、メモリーカード等の記録メディアであり、記録メディア読取装置9で読み取り可能な形態で供される。 The program recording medium 11 is a recording medium such as a hard disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, an MO disk, a flexible disk, or a memory card that stores the program according to the embodiment of the present invention, and is read by the recording medium reader 9. Provided in possible form.
データベース15は、サンプル識別データ31、およびバイオパターンセンシングデータ33、データ間類似度35、等を格納する。 The database 15 stores sample identification data 31, biopattern sensing data 33, data similarity 35, and the like.
本発明の第一実施形態によれば、複合有機物中の一部の化学物質の組成を反映したバイオパターンセンシングデータはシステム及び装置に入力装置7を介して入力される。 According to the first embodiment of the present invention, biopattern sensing data reflecting the composition of some chemical substances in the complex organic material is input to the system and apparatus via the input device 7.
入力装置7は、主として本発明の装置及びシステム外での分析による結果データを本システム及び装置に導入する際に使用されるものである。入力されるバイオパターンセンシングデータとしては、例えばゲル電気泳動の泳動像、クロマトグラム、エレクトロフェログラム、融解曲線グラフ、分光スペクトル等が挙げられる。 The input device 7 is mainly used when introducing the result data obtained by analysis outside the device and system of the present invention into the system and device. Examples of biopattern sensing data to be input include electrophoresis images of gel electrophoresis, chromatograms, electropherograms, melting curve graphs, and spectral spectra.
入力装置7としては、例えばスキャナー・デジタルカメラ等の画像入力装置や、分光光度計や各種計測機器等の、センサーからの電気的信号の入力装置、あるいは既に電子データ化された画像や波形について、これらの取り込みのための装置等がこれに該当する。 As the input device 7, for example, an image input device such as a scanner or a digital camera, an input device for an electrical signal from a sensor such as a spectrophotometer or various measuring devices, or an image or waveform already converted into electronic data, A device for capturing these corresponds to this.
本発明の第一実施形態によれば、例えばシステム外部の、独立した分析装置から得られたバイオパターンセンシングデータをシステムに入力して、複合有機物の類似性判定が行える利点を享受することができる。 According to the first embodiment of the present invention, for example, the biopattern sensing data obtained from an independent analyzer outside the system can be input to the system, and the advantage of being able to determine the similarity of the composite organic matter can be enjoyed. .
本発明の第二実施形態によれば、複合有機物中の一部の化学物質の組成を反映したバイオパターンセンシングデータが分析装置3によって取得される。 According to the second embodiment of the present invention, bio-pattern sensing data reflecting the composition of some chemical substances in the complex organic material is acquired by the analyzer 3.
分析装置3としては、例えばサンプル中の有機物組成を反映したクロマトグラム・エレクトロフェログラム・融解曲線・分光スペクトル等のデータのいずれかを取得する機構を有するものが挙げられる。 Examples of the analysis device 3 include a device having a mechanism for acquiring any of data such as a chromatogram, an electropherogram, a melting curve, and a spectroscopic spectrum reflecting an organic substance composition in a sample.
本発明の第二実施形態によれば、サンプルまたはサンプルの抽出物を装置に導入することで、複合有機物中の一部の化学物質の組成を反映したバイオパターンセンシングデータの取得から複合有機物の類似性判定までの一連の行程を一括して行える利点を享受することができる。 According to the second embodiment of the present invention, by introducing a sample or an extract of the sample into the apparatus, biopattern sensing data reflecting the composition of some chemical substances in the composite organic material is used to obtain the similarity of the composite organic material. It is possible to enjoy the advantage that a series of processes up to sex determination can be performed in a lump.
本発明の第一実施形態で入力されたバイオパターンセンシングデータ、および第二実施形態で分析データとして拠出されたバイオパターンセンシングデータは共に、任意に呼出可能な形式でデータベース15に記録され、必要に応じて演算処理に供される。 Both the bio-pattern sensing data input in the first embodiment of the present invention and the bio-pattern sensing data contributed as analysis data in the second embodiment are recorded in the database 15 in an arbitrarily callable format and necessary. Accordingly, it is used for arithmetic processing.
次に、複合有機物品質比較システム1によるバイオパターンセンシングデータの処理について説明する。 Next, processing of biopattern sensing data by the composite organic matter quality comparison system 1 will be described.
図2に複合有機物品質比較システム1のシステム処理についてのフローチャートを示す。複合有機物品質比較システム1は、画像データ変換プロセス500と、発酵物選定・類似性演算プロセス501の一連の処理行程より構成される。
発酵物選定・類似性演算プロセス501では、評価対象となる複合有機物サンプルを複数
、データベース15に格納されたサンプル識別データ31に基づいて選択する(ステップ201)。
FIG. 2 shows a flowchart of the system processing of the composite organic matter quality comparison system 1. The composite organic matter quality comparison system 1 includes an image data conversion process 500 and a series of processing steps of a fermented product selection / similarity calculation process 501.
In the fermented product selection / similarity calculation process 501, a plurality of composite organic matter samples to be evaluated are selected based on the sample identification data 31 stored in the database 15 (step 201).
続いてデータベース15に格納された、選択されたサンプル識別データ31に対応するバイオパターンセンシングデータ33が取得される(ステップ202)。 Subsequently, biopattern sensing data 33 corresponding to the selected sample identification data 31 stored in the database 15 is acquired (step 202).
続いてバイオパターンセンシングデータ間の類似性演算が実施され(ステップ203)、その結果がサンプル間毎に分類されてモニターディスプレイ13に出力される(ステップ204)とともにデータ間類似度35としてデータベース15に格納される。 Subsequently, the similarity calculation between the biopattern sensing data is performed (step 203), and the result is classified for each sample and output to the monitor display 13 (step 204) and at the same time the database 15 as the data similarity 35. Stored.
モニターディスプレイ13に出力される類似性演算結果およびデータベース15に格納されるデータ間類似度35は、例えば、1に近いほどデータ間の類似度が高いことを示す0以上1以下の数値、あるいは0に近いほどデータ間の類似度が高いことを示す0以上の数値によって、それぞれ示すことができる。 The similarity calculation result output to the monitor display 13 and the data similarity 35 stored in the database 15 are, for example, a numerical value of 0 or more and 1 or less indicating that the similarity between data is higher as it is closer to 1, or 0. It can be respectively indicated by a numerical value of 0 or more indicating that the similarity between the data is higher as it is closer to.
バイオパターンセンシングデータとして、DNAの組成に関わる情報を利用する方法は、複合有機物を構成する複合微生物系そのものの動態を反映したデータを得ることができるという利点を有する。例えばDNAの組成に関わる情報を利用して未知の細菌群集の多様性を解析する方法として、16s-rRNA遺伝子の一部もしくは全領域をPCR(Polymerase Chain Reaction)増幅し、DGGE(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)等の同一鎖長のDNAをゲル電気泳動で分離する方法によって評価を行う方法が挙げられる。 The method of using information related to DNA composition as biopattern sensing data has an advantage that data reflecting the dynamics of the complex microbial system itself constituting the complex organic matter can be obtained. For example, as a method to analyze the diversity of unknown bacterial communities using information related to DNA composition, PCR (Polymerase Chain Reaction) amplification of part or all of the 16s-rRNA gene and DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis) And the like, and the like.
発明者らの知見によれば、チーズ・漬物・発酵乳・糞便等の多分野の複合有機物について、16s-rRNA遺伝子のV3領域(236bp)をターゲットとしたプライマーを使用したPCR-DGGEが非常に良好な分離結果をもたらすことが明らかである。図3に本方法による泳動像を示す。 According to the knowledge of the inventors, PCR-DGGE using primers targeting the V3 region (236 bp) of the 16s-rRNA gene is very difficult for complex organic substances such as cheese, pickles, fermented milk, and feces. It is clear that it gives good separation results. FIG. 3 shows an electrophoretic image obtained by this method.
本発明においてはバイオパターンセンシングデータとして、例えばゲルベースの電気泳動法のデータを利用することができる。 In the present invention, for example, gel-based electrophoresis data can be used as biopattern sensing data.
ゲルベースの電気泳動法は、簡便な装置で実施できる反面、分析に時間を要し、さらに本発明のようなサンプル間の相同性を比較する場合、以下のような技術的な問題点を有する。 The gel-based electrophoresis method can be carried out with a simple apparatus, but requires time for analysis, and has the following technical problems when comparing homology between samples as in the present invention.
第一はバンドの相同性の読みとり方法である。発明者らは画像上のバンドの一つひとつの相同性を目視による手作業で読みとっていたが、これは相当の労力を要し、またヒューマンエラーが避けられない作業であった。 The first is a method for reading the homology of the bands. The inventors have read the homology of each band on the image manually by visual inspection, but this requires considerable labor and human error is unavoidable.
第二はゲルの不均一性である。ゲルの両端部のゆがみや縦方向の不均一な伸長が原因となり、バンド毎の一致判定は極めて難しい。 The second is gel non-uniformity. Due to distortion at both ends of the gel and uneven stretching in the vertical direction, it is extremely difficult to determine the match for each band.
第三は検出バンド数の多さである。発酵食品や糞便の場合、多い場合で50〜100程度のバンドが検出される。バンドの多様性自体は含まれる情報量が多いことを意味し、後の解析において有利であるが、同時にバンド間の距離が近接し、判定のエラーが起こりやすくなるという問題を孕んでいる。 The third is the large number of detection bands. In the case of fermented food and feces, a band of about 50 to 100 is detected in many cases. The diversity of the band itself means that a large amount of information is included, which is advantageous in later analysis, but at the same time, the distance between the bands is close, and a problem of determination error is likely to occur.
これらの問題点を払拭するため、データ変換プロセス500においては、例えば以下のような方法により、ゲル電気泳動の情報をレーン間の線形的演算による位置補正の後にバンドベースで抽出する手法を用いず、ゆがみを含むことを前提に、レーンの泳動軸方向の輝度情報を2次元、もしくは1次元のプロット情報として抽出する。これらの情報全体を
一連のデータとして捉え、類似性解析を行うことで、データに含まれる情報量の多さを活かし、かつ誤差の影響をより受けにくい、精度の高い解析を行うことが可能となる。
In order to eliminate these problems, the data conversion process 500 does not use, for example, the following method to extract gel electrophoresis information on a band basis after position correction by linear calculation between lanes. Assuming that distortion is included, luminance information in the lane migration axis direction is extracted as two-dimensional or one-dimensional plot information. By capturing all of this information as a series of data and performing similarity analysis, it is possible to perform high-precision analysis that takes advantage of the amount of information contained in the data and is less susceptible to errors. Become.
図4は豚糞便サンプルからのDNA抽出物を、16s-rRNA遺伝子のV3領域(236bp)をターゲットとしたプライマーを使用したPCR-DGGE法に供した泳動像である。 FIG. 4 is an electrophoretic image obtained by subjecting a DNA extract from a swine stool sample to a PCR-DGGE method using a primer targeting the V3 region (236 bp) of the 16s-rRNA gene.
まず、サンプルに対応する泳動レーンを独立して抽出するために、ゲルの泳動軸方向(図4の縦方向)に平行な列に沿って画素値を検出し、これをゲルの泳動軸に対して垂直方向(図4の横方向)の両端間の全領域で順次行う。 First, in order to independently extract the electrophoresis lane corresponding to the sample, pixel values are detected along a column parallel to the gel migration axis direction (vertical direction in FIG. 4), and this is detected with respect to the gel migration axis. Then, it is sequentially performed in the entire region between both ends in the vertical direction (lateral direction in FIG. 4).
次いで列上の画素値情報について、横方向に向けて順次演算を実施する。演算の方法としては、例えばヒストグラム処理・最大値抽出・パワー演算・分散演算等の方法が挙げられる。ここではパワー演算による演算例を示す。 Next, the pixel value information on the column is sequentially calculated in the horizontal direction. Examples of the calculation method include histogram processing, maximum value extraction, power calculation, and dispersion calculation. Here, an example of calculation by power calculation is shown.
パワーは画素値の2乗和であり、横位置iについて0<i<N、縦位置jについて0<j<Mとすると、列ピクセル毎のパワーは数1で表される。 The power is the sum of squares of the pixel values. If 0 <i <N for the horizontal position i and 0 <j <M for the vertical position j, the power for each column pixel is expressed by Equation 1.
この演算の結果を縦軸に列毎のパワー、横軸に横位置としてプロットしたものを図5に示す。これをハードスレッショルド処理に供することで、レーン毎に完全に情報を分離することができる。 FIG. 5 shows the result of this calculation plotted with the power for each column on the vertical axis and the horizontal position on the horizontal axis. By applying this to hard threshold processing, information can be completely separated for each lane.
各レーンは横方向に幅を持っているため、例えば横方向の画素値の平均、中央値、最頻値等を求め、この値を縦軸に、また縦位置を横軸にプロットした2次元チャートを以降の発酵物選定・類似性演算プロセス501に供出することができる。チャートの一例を図6に示す。 Since each lane has a width in the horizontal direction, for example, the average, median, mode, etc. of the pixel values in the horizontal direction are obtained, and this value is plotted on the vertical axis and the vertical position is plotted on the horizontal axis. The chart can be provided to the subsequent fermented product selection / similarity calculation process 501. An example of the chart is shown in FIG.
発酵物選定・類似性演算プロセス501における、サンプル間の類似性演算(ステップ203)を行う方法としては、例えば相互相関解析法やDP(動的プログラミング)マッチング法が挙げられる。ここではDPマッチング法による類似性演算の一例を示す。 Examples of the method for calculating similarity between samples (step 203) in the fermented product selection / similarity calculation process 501 include a cross-correlation analysis method and a DP (dynamic programming) matching method. Here, an example of similarity calculation by the DP matching method is shown.
DPマッチング法は動的計算法(Dynamic programming)によるマッチング法で、非線形の時間を伸縮しながら相関(距離)を求める方法である。本法は主に音声や文字の認識等の領域で利用されている。 The DP matching method is a matching method based on dynamic programming, and is a method for obtaining a correlation (distance) while expanding and contracting nonlinear time. This method is mainly used in areas such as speech and character recognition.
DPマッチング法においては、入力パターンと標準パターンを対応付けし、入力パターンと標準パターンの距離が一番小さくなる最短経路を求め、その距離の総和で相関を表す。DPマッチングによる、2つの系列の対応付けに関する概念図を図7に示す。 In the DP matching method, an input pattern and a standard pattern are associated with each other, a shortest path having the smallest distance between the input pattern and the standard pattern is obtained, and the correlation is represented by the sum of the distances. FIG. 7 shows a conceptual diagram regarding association between two sequences by DP matching.
具体的には、例えば以下のような方法によって行われる。2つの時系列(特徴ベクトル系列)パターンA、Bを数2に示す Specifically, for example, the following method is used. Two time series (feature vector series) patterns A and B are shown in Equation 2.
数2に示すようなA、Bからなる平面を考えると、A、B両パターンの時間軸の対応付けは、この平面上の格子点c=(i[k],j[k]) の系列 Considering the plane consisting of A and B as shown in Equation 2, the time axis correspondence between both A and B patterns is the series of lattice points c = (i [k], j [k]) on this plane.
で表現可能である。このFを時間変換関数と呼ぶ。2つの特徴ベクトルaiとbjとのベクトル距離をd(c)=d(ik, jk) で表すと、Fに沿った距離の総和は数4で与えられる。 It can be expressed as This F is called a time conversion function. When the vector distance between the two feature vectors a i and b j is represented by d (c) = d (i k , j k ), the sum of the distances along F is given by Equation 4.
ただし、距離としては、数5を用いる。 However, Equation 5 is used as the distance.
数5の値が小さいほど、AとBの対応付けがよいことを示す。はFに関連した正の荷重関数である。ここで数4を次のような制限でFに関して最小化することを考える。 The smaller the value of Equation 5, the better the correspondence between A and B. Is a positive load function associated with F. Let us consider minimizing Equation 4 with respect to F with the following restrictions.
単調性と連続性の条件:例えば/saN/という系列が/sNa/に変化したり、/sN/となるような歪みを許さない。 Monotonicity and continuity conditions: For example, the distortion of / saN / series to / sNa / or / sN / is not allowed.
境界条件: boundary condition:
整合窓の条件:極端な伸縮を防ぐため、整合窓r を定数として、 Condition of matching window: To prevent extreme expansion and contraction, the matching window r is a constant,
数4で、分母がFに依存しない定数になるようにを定めると式を簡略化することが容易である。簡略化によって、例えば荷重関数を、とに対し対称とした場合、数9のようになる。 It is easy to simplify the equation by determining that the denominator is a constant independent of F in Equation 4. For simplification, for example, when the load function is symmetric with respect to, Equation 9 is obtained.
これにより、 This
となるので、数4は Therefore, the number 4 is
と変換される。この2つの時系列パターンA、B間の距離D (A,B) を求めることは、最小化問題を解くことでできるが、Fのすべての可能性について総当たり的に調べることなく、効率的に解くことが可能である。 Is converted. The distance D (A, B) between the two time series patterns A and B can be obtained by solving the minimization problem, but it is efficient without examining all the possibilities of F brute force. Can be solved.
数4において、距離D (A,B) の部分和g (i,j) を求める。終点を(il, jl) に固定したときの部分和gは、 In Equation 4, a partial sum g (i, j) of the distance D (A, B) is obtained. The partial sum g when the end point is fixed at (i l , j l ) is
数12は動的計算法の定式化となっている。これを数6、数7、数8のFに関する制限を用いて書き換えると Equation 12 is a formulation of the dynamic calculation method. When this is rewritten using restrictions on F in Equation 6, Equation 7, and Equation 8,
のように求めることができる。対称型DPマッチングにおいて、座標(i,j) に到達可能な経路を図8に示す。 Can be obtained as follows. FIG. 8 shows a path that can reach the coordinates (i, j) in the symmetric DP matching.
図4のバイオパターンセンシングデータから、上述の例示の方法で画像の抽出および変換を行い、各レーンのチャートについて、DPマッチング法と線形相互相関解析法によって類似性を求める演算を実施し、その結果を比較したデータの一部を表1および表2に示す。 The image is extracted and converted from the biopattern sensing data of FIG. 4 by the above-described exemplary method, and the calculation of similarity is performed on the chart of each lane by the DP matching method and the linear cross-correlation analysis method. Table 1 and Table 2 show part of the data comparing the above.
表1においては、本来同一サンプルであるはずのレーン1と4の間の類似度がレーン2と3の間の類似度より低くなっている。これは泳動画像のゆがみ等が原因で、相互相関解析によるレーン相互間の、正しいサンプル自己−他者識別が妨げられたことを意味している。 In Table 1, the similarity between lanes 1 and 4 that should be the same sample is lower than the similarity between lanes 2 and 3. This means that correct sample self-other identification between lanes by cross-correlation analysis was hindered due to distortion of the electrophoretic image.
一方、表2においては、レーン1と4の間の類似度が表のデータ相互間で最小となっており、このデータに基づいて正しいサンプル自己−他者識別を行うことが可能である。 On the other hand, in Table 2, the similarity between lanes 1 and 4 is the smallest among the data in the table, and correct sample self-other identification can be performed based on this data.
図4のすべてのレーン間データについて、線形相互相関解析法とDPマッチング法を用いて類似性を演算し、サンプルの自己−他者識別が最も高い正答率となる判定境界値を設定し、自己−他者識別を行った場合の正答率を比較したチャートを図12に示す。 For all the inter-lane data in FIG. 4, the similarity is calculated using the linear cross-correlation analysis method and the DP matching method, and the determination boundary value that gives the highest correct answer rate is obtained by the self-other identification of the sample. -The chart which compared the correct answer rate at the time of identifying others is shown in FIG.
図4の泳動像における泳動レーン数は20、用いたサンプル数は6種であり、各サンプルが3乃至4レーンで重複して泳動されている。 The number of electrophoresis lanes in the electrophoresis image of FIG. 4 is 20, the number of samples used is 6, and each sample is run in duplicate in 3 to 4 lanes.
結果として線形相互相関解析法においては3割程度であったサンプルの自己−他者認識の正答率が、DPマッチング法による相関解析においては90%程度にまで向上した。 As a result, the correct response rate of the self-other recognition of the sample, which was about 30% in the linear cross-correlation analysis method, improved to about 90% in the correlation analysis by the DP matching method.
このように、本発明記載のDPマッチングによる演算の方法によれば、サンプル類似性評価の確度を飛躍的に向上させることができる。 Thus, according to the calculation method by DP matching according to the present invention, the accuracy of sample similarity evaluation can be dramatically improved.
ゲル電気泳動以外の、分離の理論段数が高い分析法で遺伝的多系の検出を試みるという手法を、複合微生物系の研究に用いている例は未だほとんど報告されていないが、臨床研究においてはHPLCベースのDHPLC(Denaturing High Performance liquid Chromatography)法やキャピラリー電気泳動法ベースのCE-SSCP(Capillary electrophoretic single strand conformation polymorphism)法、TGCE(Temperature gradient capillary electrophoresis)法、DNA融解曲線分析法が近年用いられるようになってきた。 There have been few reports on the use of genetic multisystems other than gel electrophoresis in the study of complex microbial systems using methods with a high number of theoretical plates for separation. Recently, HPLC-based DHPLC (Denaturing High Performance liquid Chromatography) method, capillary electrophoresis-based CE-SSCP (Capillary electrophoretic single strand conformation polymorphism) method, TGCE (Temperature gradient capillary electrophoresis) method, and DNA melting curve analysis method are used in recent years It has become like this.
図4のDGGE解析に使用したものと同じ豚糞便抽出サンプルの一部をDHPLC法によって分析したクロマトグラムを図9に、TGCE法によって分析したエレクトロフェログラムを図10に、DNA融解曲線分析法によって分析した融解分析曲線を図11にそれぞれ示す。 A chromatogram obtained by analyzing a part of the same pig fecal extract sample used in the DGGE analysis of FIG. 4 by the DHPLC method is shown in FIG. 9, an electropherogram analyzed by the TGCE method is shown in FIG. 10, and a DNA melting curve analysis method is used. The analyzed melting analysis curves are shown in FIG.
これらの分析データはいずれも、前述したDGGE法による画像データの、データ変換プロセス500における処理結果の一例と同様、2次元チャートとして得ることができるので、以降の発酵物選定・類似性演算プロセス501において、直接、DGGE法による画像データからデータ変換プロセス500によって得られたチャートと同様の処理に供することができるという利点を有する。 Since all of these analysis data can be obtained as a two-dimensional chart as in the example of the processing result of the data conversion process 500 of the image data by the DGGE method described above, the subsequent fermentation product selection / similarity calculation process 501 In this case, the image data can be directly subjected to the same processing as the chart obtained by the data conversion process 500 from the image data by the DGGE method.
例えばFT−IR等のスペクトル解析によって得られた分光スペクトル曲線等の2次元チャートで供出される分析データは、いずれも発酵物選定・類似性演算プロセス501によって直接、処理可能であるという利点を有する。 For example, any analytical data provided in a two-dimensional chart such as a spectral spectrum curve obtained by spectral analysis such as FT-IR has an advantage that it can be directly processed by the fermented product selection / similarity calculation process 501. .
1 複合有機物品質比較装置(システム)
3 分析装置
5 電子計算装置
7 入力装置
9 記録メディア読取装置
11 プログラム記録媒体
13 モニターディスプレイ
15 データベース
1 Complex organic matter quality comparison system (system)
3 Analyzing device 5 Electronic computing device 7 Input device 9 Recording media reader 11 Program recording media 13 Monitor display 15 Database
Claims (9)
検出されたバイオパターンセンシングデータをサンプル毎に記憶する、記憶手段と、
記憶されたバイオパターンセンシングデータをサンプル毎に指定して呼出可能な、呼出手段と、
上記各手段により得られた二以上のサンプルの、バイオパターンセンシングデータを数学的・統計学的に解析し、当該データ間の類縁関係を数値化したデータ間類似度を算出する、演算手段と、
データ間類似度を出力する出力手段と、
を具備することを特徴とする、複合有機物サンプルの品質比較装置およびシステム。 A bio-pattern sensing data detection means for detecting a chemical group in or extracted from a complex organic material sample composed of a plurality of types of microorganisms and metabolites thereof;
Storage means for storing detected biopattern sensing data for each sample;
Calling means capable of specifying and calling stored biopattern sensing data for each sample;
Two or more samples obtained by each of the above means, mathematically and statistically analyzing the biopattern sensing data, and calculating the similarity between the data by quantifying the relationship between the data, arithmetic means,
An output means for outputting the similarity between data;
An apparatus and system for comparing the quality of a composite organic material sample, comprising:
入力されたバイオパターンセンシングデータをサンプル毎に記憶する、記憶手段と、
記憶されたバイオパターンセンシングデータをサンプル毎に指定して呼出可能な、呼出手段と、
上記各手段により得られた二以上のサンプルの、バイオパターンセンシングデータを数学的・統計的に解析し、当該データ間の類縁関係を数値化したデータ間類似度を算出する、演算手段と、
データ間類似度を出力する出力手段と、
を具備することを特徴とする、複合有機物サンプルの品質比較装置およびシステム。 In complex organic matter samples composed of multiple types of microorganisms and their metabolites, DNA molecules or RNA molecules derived from the genetic information of the microorganisms present in the sample are detected based on the difference in base sequence or base length Detection means for biopattern sensing data;
Storage means for storing the input biopattern sensing data for each sample;
Calling means capable of specifying and calling stored biopattern sensing data for each sample;
Two or more samples obtained by each of the above means, the bio pattern sensing data is mathematically and statistically analyzed, and the arithmetic means for calculating the similarity between the data obtained by quantifying the relationship between the data;
An output means for outputting the similarity between data;
An apparatus and system for comparing the quality of a composite organic material sample, comprising:
入力されたバイオパターンセンシングデータをサンプル毎に記憶する、記憶手段と、
記憶されたバイオパターンセンシングデータをサンプル毎に指定して呼出可能な、呼出手段と、
上記各手段により得られた二以上のサンプルの、バイオパターンセンシングデータを数学的・統計的に解析し、当該データ間の類縁関係を数値化したデータ間類似度を算出する、
演算手段と、
データ間類似度を出力する出力手段と、
を具備することを特徴とする、複合有機物サンプルの品質比較装置およびシステム。 An input means for inputting biopattern sensing data obtained by analyzing a complex organic matter sample composed of a plurality of types of microorganisms and metabolites thereof into the system;
Storage means for storing the input biopattern sensing data for each sample;
Calling means capable of specifying and calling stored biopattern sensing data for each sample;
Mathematical and statistical analysis of biopattern sensing data of two or more samples obtained by each of the above means, and the similarity between the data is calculated by quantifying the relationship between the data,
Computing means;
An output means for outputting the similarity between data;
An apparatus and system for comparing the quality of a composite organic material sample, comprising:
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