在传统的草药和芳香疗法中，使用精油及其香气化合物来治疗各种人类疾病早已为人所知。精油是高度复杂的，天然存在的挥发性芳香化合物的混合物，由药用和芳香植物合成作为次生代谢产物。精油因其抗菌、抗病毒、抗真菌、抗寄生虫、杀虫、抗癌、神经保护、心理生理和抗衰老等活性而广泛应用于医药、化妆品、卫生、食品工业和农业。此外，挥发性芳香化合物包括具有显著蒸气压的化学上多样化的低分子量有机化合物。然而，植物产生的芳香化合物主要是吸引传粉者、播种者和防御害虫或病原体。然而，在人类中，大约有300个活跃的嗅觉受体基因参与检测数千种不同的香气化合物，并调节不同代谢基因的表达，调节人类的心理生理活动、脑功能、药理信号传导和治疗潜力。考虑到这一点的重要性，目前的数据库，即AromaDb
(http://bioinfo.cimap.res.in/aromadb/)涵盖了植物品种/化学型、精油、化学成分、GC-MS谱、基于农业形态参数、贸易数据、香气化合物、香味类型和生物活性细节而产生的产量变化的信息。该数据库包括1321种芳香化学结构、精油/芳香化合物的生物活性、357种芳香类型、166种商业应用植物及其高产品种/化学型148种。还包括计算的化学信息学特性相关的鉴定，物理化学特性，药代动力学，毒理学和生态信息。还包括影响与芳香疗法使用相关的各种疾病相关的细胞信号传导途径的相互作用的人类基因。该数据库可以为植物种植者/生产者、芳香/香味工业家、卫生专业人员和研究人员探索精油和芳香化合物在开发对抗人类疾病的新配方方面的潜力提供有用的资源。
植物的花和叶子都会散发出香气化合物，这种化合物通过空气传播，并被动物的嗅觉系统检测到。香气的复杂性仍然具有挑战性，因为任何花或植物的气味都不是由于单一的化学化合物。虽然植物和花卉由许多化合物组成，但它们并不都构成香气。由于玫瑰的香味主要受主要成分化合物(-)-顺式玫瑰氧化物和次要成分化合物，即β-大马士酮(家族-玫瑰酮)和β-紫罗兰酮的植物精油的影响，而其他化合物如香叶醇、橙花醇、(-)-香茅醇、法尼醇和芳樟醇的贡献较小。
香气是分子量<300且蒸气压高的挥发性化合物的混合物，但完整的挥发性化合物组由数千种源于次要代谢主要途径的无机和有机化合物组成(Frauendorfer和Schieberle, 2006)。植物主要香气成分的生物合成过程主要有三个途径，即丁香酚(丁香)的生物合成途径是莽草酸途径，短链醇和醛的脂质降解途径和香叶醇(玫瑰)和薄荷醇(薄荷)的合成途径是萜类途径。这些香气分子作为一种信号化学物质(为了交流而携带信息的混合物或化学物质)、信息素、防御机制，使动物能够识别和探测个体。信息素的香气分子对于交配选择、性行为、受精、哺乳以及在危险情况下警告亲属(警报信息素)和防御捕食者是必不可少的。香气分子还参与交流和相互作用，如植物-植物相互作用(Das et al.， 2013)和植物-动物相互作用(Herrera and Pellmyr, 2002)。这些相互作用和交流是通过授粉进行的(Schaefer et al.， 2004)，而香气分子的另一个特性是植物对食草动物的防御反应(Glaum and Kessler, 2017)。细菌还会释放出丰富的香气分子，对植物、真菌、动物和细菌产生影响(Vet and Dicke, 1992;Heil and Silva Bueno, 2007)。芳香化合物也可以在食物、香料、香水、葡萄酒、香油和精油中找到。这些分子在水果和其他作物成熟过程中以生物化学的方式形成。芳香类分子具有很大的商业价值，挥发性芳香类分子在科研、健康、食品、化妆品、健康等领域都有广泛的应用。
基于植物的香气分子(2D和3D结构)、香气或香味类型、精油、印度和国外可种植的各自商业植物品种、香气分子在生物活性、物理化学、立体和药代动力学(ADMET)特性方面的治疗潜力的综合信息;相互作用的人类基因和相应的精油进出口贸易数据趋势信息，在科学研究和工业用途上都是不公开的。因此，我们的目标是建立一个涵盖香气分子基本和高级信息的数据库AromaDb，为比较分析和定量结构香气关系研究(QSAR)提供一个平台。
AromaDb数据库将有助于回答与芳香化合物和精油相关的研究人员、行业和种植者的疑问。然而，精油、香气、香味和风味(合成)成分的各种数据库资源已经被报道，但在一定程度上仍然局限于某些次级分类，例如SuperScent (Dunkel等人，2009)、OdorDB、Pherobase、EssOilDB (Kumari等人，2014);ScentBase1、AroChemBase2和Flavornet3(表1)。因此，这些数据库很好，但对特殊用途有用，因此需要全面列出来自不同本地和全球种植的芳香植物精油中具有商业意义的挥发性香气分子，并提供化学型特定品种、香味类型(香气)、香气分子的物理化学性质、化学鉴定等信息。免费下载的化学结构(2D和3D)，药代动力学特性(ADMET)，香气对人类基因的影响，它们的蒸气压和logP，以及全球需求和印度国内外营业额方面的进出口贸易数据趋势，从而指导研究人员，种植者，农民和工业的未来研究方向。表1 现有香气、气味、香氛、精油、风味、有毒化合物、挥发性分子等数据库的概要及其网站地址和描述![]()
数据从国内和国际文献和各种网络数据库资源或在国内和国际期刊上发表的论文中检索。该数据库包括来自100多种与香气和风味相关的科学期刊的记录。使用以下网络资源来选择所需的数据，例如根据药用和芳香植物挥发物选择花香/香味(Baldwin et al.， 2006)(表2)。在给定的文献搜索引擎上根据化合物的化学名称和同义词对摘要进行筛选检索。有关某些芳香分子的不良反应或过敏反应(皮肤刺激毒性)的信息包含在AromaDb数据库的“物理和ADMET性质”字段下，该字段是通过Discovery Studio v3.5软件(Accelrys, San Diego, CA, United States)的TOPKAT模块计算的。化合物人类基因相互作用数据通过使用CAS ID从EPA(United States Environmental Protection Agency)4和ACToR5信息门户检索。表2 在AromaDb数据库开发中使用的支持数据库和web资源的详细信息。
AromaDb数据库是在Apache HTTP服务器上开发的，与平台无关，可以作为开源软件使用。数据库是在MySQL上开发的，用于存储后台的信息。数据库网站前端使用PHP、HTML、CSS和JavaScript开发。AromaDb包括从不同资源中检索到的基本和高级分子信息，如图1A,B所示。图1所示AromaDb数据库的详细结构(A)和(B)实体关系图。
在AromaDb中使用结构编辑器和结构相似度搜索工具查找数据库内部和扩展数据库中的结构相似度，即基于ChemAxon SMILES的搜索选项，用于显示3D结构，使用JSmol，它是3D6中可用的开源JavaScript化学结构查看器。JSmol是基于java的分子可视化小程序Jmol7的扩展，作为一个HTML5 JavaScript纯web应用程序。类似地，JSME (JavaScript分子编辑器)被应用于内置的分子编辑器，它允许用户筛选自编辑的分子。JSME是一个用javascript8编写的免费分子编辑器。
数据库的主要参数有植物、品种、精油、化学分子、化学类群、贸易数据、结构数据、精油的生物活性、化合物及其相互作用基因等。为了获得更好的性能，所有数据在逻辑上分布在几个相互关联的表中。对于范围广泛的复杂搜索，使用搜索引擎检查数据库网站的各个链接，并相应地显示匹配的结果(图1B)。AromaDb数据库中的所有信息可以分为三类:一级信息、二级信息和三级信息。数据库信息是人工整理和选择自各种来源，如已发表的国际文献，CSIR-CIMAP, Lucknow9精油专著，年度报告，期刊(JMAPS;药用与芳香植物科学杂志;Baldwin et al.， 2006)，通讯和书籍。主要资料已从文献中检索，这些资料包括以下主要领域，即:(i)植物细节;(ii)精油名称;和(iii)植物品种。次要信息来源于植物精油(一次信息)，包括精油描述细节、化学成分、主要次要化合物细节、含量百分比、进出口精油贸易数据。三级信息进一步衍生自二级信息，二级信息包括以下有关精油化合物的详细信息:IUPAC名称，化学类别生化类别(例如萜烯烃和含氧化合物);酚类、醇类、醛类、酮类、酯类、内酯类、香豆素类、醚类和氧化物)、香味类型、物理和化学性质、吸收和代谢信息、毒理学信息、生态信息、危害信息以及用于治疗用途或药物配方开发的化合物生物活性数据。该信息为用户提供了一个全面的香气分子数据库，以及大量的选项，例如基于结构相似性的化合物搜索，使用数据库中的化合物规范SMILES编码。图2总结了数据库主页(图2A)、植物和品种详细信息(图2B)和精油详细信息(图2C)的快照。图2 显示AromaDbdatabase (A)主页、(B)印度植物品种和(C)精油成分详细信息的快照。
AromaDb数据库提供各种商业上重要的芳香分子、香味类型、精油、芳香植物、贸易数据和其他工业上重要的信息，以供配制任何草药产品配方时使用。我们整合了各种工具，使数据库对用户来说更容易、更方便。数据库内容可以通过不同的搜索工具和选项访问，例如，简单和高级搜索工具。简单搜索工具由谷歌搜索引擎提供支持，谷歌搜索引擎从AromaDb数据库和公共数据库中搜索数据，其中另一个挖掘工具在数据库中搜索查询，高级搜索工具选项进一步分为两种类型:(i)基于结构相似性的搜索(在AromaDb数据库中)和(ii)基于结构物理化学和药代动力学(ADMET)属性的搜索。数据库搜索字段使用户能够使用理化性质、植物、品种、化学类型、精油、香气分子、化学分类、生物活性等来查找化合物。数据库允许用户选择特定的官能团、物种或分子量范围，搜索整个条目并检索用户需要的结果。为了挖掘数据库，用户需要一个二维分子结构或结构规范的SMILES代码(简化分子输入行输入系统)或感兴趣的芳香化合物的MOL文件。结构绘图/编辑选项提供在AromaDb数据库与JSME (JavaScript分子编辑器;JSME Homepage10)。在JSME的帮助下，用户可以绘制整个结构或部分结构。最相似的数据库条目按照结构相似性的顺序列出。对于每种化合物，提供了植物的详细信息，植物名称，品种，精油成分，化学类别，ADMET性质，2D/3D化学结构，贸易数据以及基于SMILES的相似度搜索百分比。此外，还提供了相似性搜索以找到最相似的化合物类似物。此外，可以通过访问数据库头字段或菜单来单独查看类似的信息。
用户可以找到IUPAC名称、同义词或通用名称、CAS注册号、化学分类、官能基团、分子量、药代动力学数据，以及发现芳香化合物的商业栽培芳香植物及其品种，以及真实的参考文献和参考书目，以及内部发表的贡献数据(CSIR-CIMAP, Lucknow, India11)。根据其结构、化学特征、香味质量(香气类型)、精油、产率、主要成分和次级成分、气相色谱-质谱(GC-MS)谱、印度最常用的34种芳香植物近18年的贸易数据(1996-2014)和其他工业研究目的信息对芳香化合物进行分类。图3显示了精油化学成分的快照、GC-MS分析数据和产油率的月度变化(图3A)、精油贸易数据和比较图形图(图3B)，以及香气分子描述(可下载的3D结构)(图3C)。图3 快照显示(A)成分，气相色谱-质谱数据和油产量的月度变化，(B)精油贸易数据和比较图形图，以及(C)香气化合物描述和3D结构供下载。
关于AromaDb中假定的治疗性游离人类靶点或基因的信息
AromaDb数据库的另一个有用的功能是香气分子和相关的相互作用的人类治疗基因或蛋白质的信息，这些基因或蛋白质参与调节生物系统的生物学途径，并揭示了这些香气分子的潜在作用机制和治疗潜力以及支持参考文献。还加入了治疗重要的芳香分子以及查看相关芳香植物，精油，进出口贸易数据等信息的选项。
贸易数据的图形分析表明，印度和世界或自己国家(印度)的消费和需求数据趋势，作为芳香或精油行业和种植者(农民或生产者)的指导或预测工具，根据世界上各自精油的预期需求简化他们的资源，经济和时间，从而间接有助于改善农民和生产者的社会经济状况。在这里，数据库条目已根据其香气特性的质量聚类。通过电子邮件手动验证的上传选项允许科学界为数据库做出贡献。在这里，用户可以导入一个mol文件以及该化合物的相应信息。AromaDb数据库将每季度更新一次。
该数据库包括香气分子、危害识别、暴露控制和个人防护、物理和化学性质、毒理学和生态学信息。化合物的识别性质包括化学名称、IUPAC名称和化学类别。危害识别包括与物理危害、健康危害有关的特性，如皮肤腐蚀和眼睛刺激性特性。毒理学特性，如刺激性、吸收水平、水溶性水平、LogP(辛醇/水分配系数)、极性表面积(PSA)和血脑屏障水平，表明了与暴露控制和个人防护(眼睛/面部防护、皮肤防护、呼吸防护和热危害)相关的预防特性。理化性质由分子量、分子式、香味类型、LogP(正辛醇/水)、氢键供体和氢键受体、可旋转键、拓扑极性表面积(TPSA)、IUPAC名称、InChIKey、水溶性水平、蒸气压、PubChem (NCBI，美国)(Wang et al.， 2009)数据库ID和SMILES信息表示。毒理学信息包括与可能接触途径信息相关的特性，如吸入、皮肤接触、眼睛接触、摄入、与物理、化学和毒理学特征相关的症状、毒理学效应信息，如急性毒性(LD50 -皮肤/口服、家兔/大鼠、mg/kg)、皮肤腐蚀/刺激、严重眼睛损伤/眼睛刺激、呼吸或皮肤致敏、生殖细胞诱变性(基因毒性)、致癌性、生殖毒性、特异性靶器官毒性(单次暴露/重复暴露)和吸入危害。然而，生态信息包括与生态毒性(环境危害)、持久性和可降解性有关的特性。由于这些芳香分子在印度(阿育吠陀和乌纳尼)和其他东亚国家的传统草药系统中用于芳香自然疗法(芳香疗法)，因此，数据库涵盖了与吸收、分布、代谢、排泄和毒性(ADMET)等药代动力学相关的特性。这些特性表明药物相似特性、ADME依从性和毒性风险评估数据。此外，该数据库还包括与香气分子/精油与人类蛋白质(基因)的分子相互作用相关的信息，这些分子相互作用直接或间接地影响代谢过程，从而导致其有用的生物活性或反应。这一信息得到了交叉参考或基于报告出版物的适当证据的支持，因此为这些香气分子的生物学解释提供了可能性。此外，还可以通过浏览每种精油/香气分子的“生物活性”字段来调查医疗效果。比较趋势或模式图显示了所选物种与所有其他植物物种相比所释放的香气化合物。通过曲线图的对比数据分析，显示了不同农业形态参数(如土壤类型、胁迫条件、温度、天气类型、月产油量等)的变化，在香气分子(指纹)、精油、产量、主要成分百分比(化学型)、贸易分析趋势等方面的独特模式。这是区分农业实践和/或农民或工业种植者种植过程中有用或无用的特征/参数的重要特征。作为一个例子，一个快照代表了这些计算出的香气属性，显示了分子、化学识别、描述和三维结构，如图所示(图3C)。
在单一的平台上，很难对植物、品种、挥发油成分、挥发油贸易数据等信息进行挖掘，此外还需要对挥发油的理化性质、吸收代谢、毒理学、生态、危害识别、与挥发油香气的复合生物活性、与人类基因的相互作用等香气分子信息进行挖掘。
数据库内容可以通过两种方式查看:(i)浏览首页标题菜单上提供的不同数据字段，如植物、精油、香气分子、香气分子的化学类别、生物活性和贸易数据;(ii)通过谷歌的自定义搜索选项通过高级搜索选项和自由搜索选项搜索数据库内容。用户可以通过数据库头中提供的谷歌自定义搜索选项(纯搜索或复杂搜索)，基于文本相似性概念搜索数据库中的任何文本。在数据库快照的帮助下进行了类似的分析，其中显示了数据库主页搜索参数(图2A)、植物和品种细节(图2B)以及精油细节(图2C)。
此外，用户还可以使用物理化学数据范围来限制搜索，例如TPSA (Topological Polar Surface Area，拓扑极面面积)的最大值和最小值(图3A-C)。这些特性和参数的数据库快照显示了精油的化学成分、GC-MS数据和产油率的月度变化(图3A)、精油贸易数据和比较图形图(图3B)，以及香气分子描述和3D结构(图3C)。
用户可以通过结构搜索选项搜索并下载感兴趣的香气分子(2D和3D化学结构)。在这个选项中，用户可以绘制或编辑他们感兴趣的任何结构，并将其转换为SMILES和MOL文件格式，随后搜索整个AromaDb数据库芳香分子，得到数据库中最相似的匹配结构，并且可以很容易地看到这些匹配小分子的细节或免费下载结构。例如,如果用户将苯基环在期刊编辑器,进入选项“SMILES”或获得MOL文件'导致SMILES或MOL文件数据将显示在期刊编辑的另一边,随后进入在关键数据库相似性搜索,匹配结构的结果显示在新的web页面,没有精确匹配的香气分子发现,并获得了其相似匹配的化合物,例如,(反式)乙酸肉桂酯,1,1-二异丁氧-2-苯乙烷,α-戊基桂醛二甲缩醛等等。所有这些匹配的结构都有一个共同的苯环。此外，用户可以通过在“详细信息”按钮上输入关键字来查看每个匹配化合物的进一步详细信息。芳香化合物的详细信息包括与芳香分子识别、危害、理化性质、药代动力学性质、毒理学信息和生态信息相关的计算性质。该数据库还表示二维结构，三维结构可视化在三维结构查看器窗口具有旋转/关闭选项，以便快速查看结构构象，并提供免费下载选项。通过“details”超链接到前面描述的物理、ADMET和安全属性表，化合物搜索输出面向探索匹配的化合物。图4显示了基于香气分子不同性质、香味类型和毒理学参数的高级搜索选项的快照(图4A)，基于结构的搜索选项以及基于SMILES或MOL文件的绘制工具(图4B)，以及基于SMILES基础结构相似性的基于结构的搜索结果(精确匹配和相似命中;图4 c)。图4 AromaDb数据库快照显示(A)基于香气分子不同性质、香味类型和毒理学参数的高级搜索选项，(B)基于结构的搜索工具，以及基于SMILES或MOL文件的搜索选项，以及(C)基于SMILES相似性的基于结构的搜索结果。
同样，新手用户可以通过香气数据库主页末尾提供的搜索菜单按钮直接看到和选择感兴趣的数据，更进一步的用户可以浏览更多的信息，而不用浪费时间去思考香气(香味)、香气分子名称、精油、植物品种、植物。这种类型的搜索显示选项将有助于新研究人员，学者和学生。例如，新用户可以直接浏览主页标题菜单字段“植物”，该字段将显示所有芳香植物的列表，包括它们的常用名称和学名，以及一些可用的植物品种或高产化学型。用户可以通过点击“查看详情”按钮来查看这些工厂的更多细节。例如，如果用户希望搜索薄荷醇薄荷植物(Mentha arvensis)，它目前包括11种薄荷植物品种或基于不同香气分子组成比例变化的化学型。用户可以看到更多的细节，如简要介绍，植物家族，本地化，用途，精油类型，以及印度种植者或农民使用的11种薄荷品种的名称。用户可以选择打印或保存这些数据。在这个页面中，用户有两个选项来查看更多的细节;(i)精油种类及(ii)品种详情。例如，如果用户搜索亚洲薄荷(M. arvensis MAS-1)精油的详细信息，数据库将显示简短的介绍，主要成分薄荷醇(84%)和多个次要成分薄荷酮(5.8%)等，比较谱图显示M. arvensis MAS-1精油的不同化学成分的百分比比例(图2C)，以及印度科学家或研究人员的贡献，如果有的话，在参考文献中显示。用户可以选择打印(或保存)这些数据和图表。此外，用户只需输入化合物的名称，就可以直接查看主要或次要化合物的详细信息和产率。
此外，如果用户输入M. arvensis品种Gomti按钮，数据库将显示一个表格文本数据，显示植物的简要详细信息，品种名称，给定品种的主要成分，如薄荷醇74%，薄荷酮12.6%，异薄荷酮3.7%，乙酸甲酯2.9%。除此之外，还显示了精油的详细信息、精油的GC-MS图(如果有)、GC数据中的主要化合物峰、化合物性质、植物品种发布年份和完整的参考文献(图3A-C)。
同时，该数据库还涵盖了与不同农艺参数相关的数据，并为用户提供了以表格或图形形式查看的选项。例如，以M. arvensis Gomti品种为例，该数据库涵盖了5个观测读数，显示2015年1月至5月Z-芳樟醇氧化物化合物百分比的变化范围为2.2至2.7%。该数据表明，Z-芳樟醇氧化物的最高产量在2月份为2.7%。同样，用户可以看到其他基于参数的图表分析，并从未来的种植中受益，例如，如果用户看到喜马拉雅地区的M. arvensis品种，则根据植物的年龄(以天为单位)和薄荷醇复合产量百分比有五个读数。结果表明，该方法适用于30 ~ 150天龄的薄荷，薄荷醇产量为70.66% ~ 82.18%。图形分析显示，120天的植物产量最高(图2)。类似的分析使用数据库快照表示，显示了数据库主页搜索参数(图2A)、植物和品种细节(图2B)和精油细节(图2C)。
AromaDb数据库是检索香气分子、香气或香味类型、精油、植物品种、精油或香气分子的生物活性、毒理学和生态学数据以及贸易数据的有用工具。该数据库提供了香气化合物的三维结构，可供免费下载，并可选择查看植物生长过程中不同农业形态条件下的精油产量或成分百分比变化趋势。所包含的香气分子数据以及对相关植物及其精油化学类型(品种)的关注将使系统的实验方法能够研究结构相似性，精油，香气(香味)类型和香气化学类别之间的关系。此外，过去18年全球植物精油进出口贸易数据将教育种植者或农民根据预期的全球需求优先种植芳香植物。此外，将自编辑分子与数据库香气分子以及外部数据库的结构进行比较，可以对新化学品的潜在香气进行初步粗略估计。AromaDb数据库是一个免费资源，内置基于分子量、植物、品种、精油、香味或香气类型、毒理学和生态信息(过敏或毒性反应)的香气分子筛选功能。The database is available at URL: http://bioinfo.cimap.res.in/aromadb/.Footnotes
^ https://scentbase.com/
^ www.alpha-mos.com
^ http://www.flavornet.org/
^ https://www.epa.gov/
^ https://actor.epa.gov/actor/home.xhtml
^ http://sourceforge.net/projects/jsmol/
^ http://jmol.sourceforge.net/
^ http://peter-ertl.com/jsme/
^ www.cimap.res.in
^ http://peter-ertl.com/jsme/
^ www.cimap.res.in
Citation: Kumar Y, Prakash O, Tripathi H, Tandon S, Gupta MM, Rahman L-U, Lal RK, Semwal M, Darokar MP and Khan F (2018) AromaDb: A Database of Medicinal and Aromatic Plant’s Aroma Molecules With Phytochemistry and Therapeutic Potentials. Front. Plant Sci. 9:1081. doi: 10.3389/fpls.2018.01081
Received: 24 March 2018; Accepted: 04 July 2018;
Published: 13 August 2018.
Edited by:
Yusuf Akhter, Babasaheb Bhimrao Ambedkar University, India
Reviewed by:
Harinder Singh, J. Craig Venter Institute, United States
Hifzur Rahman Ansari, King Abdullah International Medical Research Center KAIMRC, Saudi Arabia
Aparoy Polamarasetty, Central University of Himachal Pradesh, India
