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基于 COCONUT 2.0 的天然产物预测碳谱数据库应用测评

ACD-COCONUT 2.0结构排重预测碳谱NMR 谱图数据库

导读:在天然产物化学研究中,已知化合物的快速鉴别(结构去重复,Dereplication)是提高发现新实体效率的关键环节。传统依赖实验核磁数据库的排重方法常受限于数据覆盖不足。为评估 ACD-COCONUT 2.0(由 COCONUT 2.0 天然产物数据库与 ACD/Labs 核磁预测算法结合构建的碳谱数据库,包含约 70 万个天然产物的分子结构与预测 13C 谱)的实际排重性能,我们以 BMRB 的 58 个天然产物实验碳谱进行盲测,并与国内常用的另一款碳谱数据库做平行对比。下文列出测试样本、评价标准与全部 58 例结果。

一、测试样本

测试样品自 BMRB(Biological Magnetic Resonance Data Bank,https://bmrb.io/)选取 58 个天然产物的实验核磁碳谱数据,涵盖生物碱、萜类、黄酮等典型骨架;其中部分化合物绝对构型尚未确定,或为外消旋体(图 1 中以 *、** 标注)。

参与测试的58个天然产物结构图、俗名与编号(第1-24号)
图 1(1/3) 参与碳谱数据库去重复评估的天然产物结构与编号(1–24)
参与测试的58个天然产物结构图、俗名与编号(第25-48号)
图 1(2/3) 结构与编号(25–48)
参与测试的58个天然产物结构图、俗名与编号(第49-58号)
图 1(3/3) 结构与编号(49–58)

二、检索参数设置

两套碳谱数据库的检索参数设置存在差异,本次测试统一采用如下设置:

ACD碳谱数据库与对比数据库的检索参数
检索参数设置
  • ACD 碳谱数据库:检索对象为 ACD-COCONUT 2.0 数据库;根据碳信号个数指定碳原子数量;其他参数保持默认设置。
  • 对比数据库:选择模糊检索方式;溶剂为全部;容差最大值 2 ppm;检索对象为其天然产物库。

三、评价标准

结果采用四级评价标准:

结果等级含义
第一档正确结构排名第一,用户可快速确认正确结构
第二档正确结构排名第二,用户经简单比对可确认正确结构
第三档正确结构排名很后,用户需花较长时间作出判断
第四档数据库未收录该结构

四、58 例检索结果

下表列出全部 58 个天然产物在两套数据库中的检索命中情况。ACD-COCONUT 2.0 以排名与偏差值表征(偏差值越小,化学位移吻合越好);对比库以排名与相似度表征(相似度越高越吻合)。「-」表示数据库未收录。

编号天然产物名称(分子式)ACD 排名ACD 偏差值对比库排名对比库相似度
1(+)-Abscisic Acid(C15H20O4)11.2271100
2(−)-α-Santonin(C15H18O3)11.7361100
3Artemisinin(C15H22O5)10.7971100
4Ascochitine(C15H16O5)12.2241100
5Aspergillic Acid(C12H20N2O2)21.466--
6Atropine(C17H23NO3)12.143182
7Bakuchiol(C18H24O)10.8591100
8β-Caryophyllene(C15H24)202.2621100
9β-Lapachone(C15H14O3)10.5911100
10Betulin(C30H50O2)11.305193.3
11Bicuculline(C20H17NO6)11.2301100
12Boldine(C19H21NO4)10.7121100
13Camptothecin(C20H16N2O4)10.9551100
14Capsaicin(C18H27NO3)10.6281100
15Cardamonin(C16H14O4)10.8381100
16Chicoric Acid(C22H18O12)11.072190.9
17Chrysophanol(C15H10O4)10.5281100
18Cytidine(C9H13N3O5)11.882188.8
19Daidzein(C15H10O4)10.6712100
20(−)-Dehydrocostuslactone(C15H18O2)10.7111100
21(−)-Eburnamonine(C19H22N2O)11.6731100
22Ellipticine(C17H14N2)21.4021100
23Ergosterol(C28H44O)11.328185
24Esculetin(C9H6O4)10.8131100
25Eucalyptol(C10H18O)21.1231100
26Fastigillin B(C20H26O6)21.769--
27Formononetin(C16H12O4)10.4911100
28Gelcohol(C16H26O4)11.3941100
29Gibberellic Acid(C19H22O6)12.547--
30Ginkgotoxin(C9H13NO3)11.6641100
31Harmalol(C12H12N2O)133.210191
32Himbacine(C22H35NO2)11.653195.4
33Hispanolone(C20H30O3)11.0111100
344-Ipomeanol(C9H12O3)10.823--
35Isophorone(C9H14O)10.788188.8
36Kanamycin(C18H36N4O11)11.065777
37Khellin(C14H12O5)10.5931100
38Lonchocarpic Acid(C26H26O6)11.367--
39Luteolin(C15H10O6)10.6081100
40Madecassic Acid(C30H48O6)231.6131100
41Magnolin(C23H28O7)10.577195.6
42Medicarpin(C16H14O4)10.8401100
43Methyl Jasmonate(C13H20O3)10.6851100
44Neohesperidin(C28H34O15)11.303196.4
45Pleurotine(C21H22O5)22.546--
46Pomiferin(C25H24O6)10.819196
47Pseudoyohimbine(C21H26N2O3)21.4311100
48Pubescine(C22H26N2O4)11.3801100
49Quinidine(C20H24N2O2)10.994195
50Raffinose(C18H32O16)191.406188.8
51Rosmarinic Acid(C18H16O8)10.8461100
52Rottlerin(C30H28O8)10.759190
53Stictic Acid(C19H14O9)21.5391100
54Streptonigrin(C25H22N4O8)11.6701100
55Syringin(C17H24O9)10.7121100
56Tanshinone IIA(C19H18O3)11.9191100
57trans-Nerolidol(C15H26O)10.2361100
58Uracil(C4H4N2O2)243.4591100

五、结果统计

两套数据库检索匹配结果统计
按四级评价统计的化合物个数
评价结果ACD-COCONUT 2.0对比数据库
正确结构排名第一4649
正确结构排名第二71
正确结构排名很后51
数据库未收录06

测试结果表明:尽管对比数据库在直接匹配(正确结构排名第一)的结果数量上以 49 例略优于 ACD-COCONUT 2.0 的 46 例,但后者在结构覆盖率方面表现更为突出——ACD-COCONUT 2.0 实现了 100% 的样本覆盖(0 例未收录),而对比数据库存在 6 例(约 10.3%)未收录的情况。

如何解读这一结果:排重工作的首要前提,是目标化合物在库中被收录。一旦未收录,无论匹配算法多好都无法给出参考。因此,基于预测碳谱构建的 ACD-COCONUT 2.0 在覆盖广度上的优势对天然产物排重具有实际价值——尤其适用于少见骨架的初步排查;而在常见、已被充分收录的结构上,两者都能较快给出首命中。

六、ACD/Labs 核磁数据库体系

值得注意的是,ACD/Labs 碳谱数据库不仅可选择 ACD-COCONUT 2.0 作为检索对象,还提供了包含 40 多万个化合物的实验 1H / 13C NMR 数据库,以及包含 1 亿个化合物的 PubChem 预测核磁数据库,为已知化合物的快速鉴定提供了多层数据支撑。

ACD/Labs 核磁数据库系统:天然产物库、实验数据库、扩展预测库
ACD/Labs 核磁数据库系统构成

七、小结

本文通过对比测试 ACD-COCONUT 2.0 与另一款常用碳谱数据库在天然产物结构排重中的表现,得到以下结论:

  • ACD-COCONUT 2.0 覆盖了全部 58 个测试样本;对比数据库存在少量样本未被收录。
  • 在具体匹配效果上两者各有特点:对比数据库在直接匹配数量上略占优势,ACD-COCONUT 2.0 则展现出更广泛的结构覆盖能力。
  • ACD-COCONUT 2.0 与 ACD/Labs 内置的 40 多万实验库、1 亿 PubChem 预测数据联动,并与谱图处理、谱图预测、报告生成、知识库管理等模块集成,为天然产物结构鉴定提供了更多维度的分析选择。

说明:本文正文与数据依据凯美科公众号原文整理,配图按原文阅读顺序排布。结果与数据均为原文测试条件下的记录,实际效果会因样品类型、操作方式与数据库版本而异。若发现某张配图与正文描述不符,请告知具体位置以便替换。

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