Embed Size (px)
Citation preview
平成14年度 卒業研究発表
北海道大学 工学部 情報工学科
複雑系工学講座 調和系工学分野
高橋直人
ヘアピン構造DNAを利用した
アクエアスコンピューティング
の実現に関する研究
・同一の分布からなる複数の部分に分割可能
・部分同士を均一に混合可能
分子メモリ
アクエアスコンピューティング
DNA分子をメモリとして利用
水様： Aqueous（アクエアス） A
A
A
…
RAM
水様性を利用してRAMを 実現し，計算を行う
[山村,2000]
A
B
C
…
ROM
例 : NPMM
[柏村,2002]
メモリ素子であるDNA分子が溶液中にランダムに存在する
小スペースで大容量
のストレージを実現
生体分子の利用によって，小スペースで大容量，且つ超並列に処理の可能なメモリを実現
できるとして，近年，分子メモリに注目が集まっている．
アクエアスコンピューティング
方舟問題
右図は，ロバ，ライオン，ウサギを頂点に持つグラフで，辺は競合する（食いあう）ことを示している．同じ檻に入れておいても食いあわない組み合わせのうち，動物の種類が最大になるものを求める．この問題はNP完全であり，動物の種類が増加すれば急速に困難となる．
3bitの分子メモリを用意し，各bitは，ロバ，ライオン，ウサギが檻に居る（1）か居ない（0）かを表す．
1
1
1
0
1
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
0
・線形回数（n）の実験操作で，指数的に増加する解領域（ ）を探索できる
[山村,2000]
n2
１回 ２回
４個
DNA分子によるbit表現
赤の制限酵素 ライゲーション
200 190
10
20 40
環状配列と制限酵素を利用した手法（CDL法）
5’-AAGCTT-3’ 3’-TTCGAA-5’
5’-A AGCTT-3’ 3’-TTCGA A-5’
bitの状態：111 bitの状態：011
が でbitを表現 有る：1
無い：0
・酵素反応を利用する為，温度調節が必要 ⇒ 温度調節は不要にできないか？
・「切断」→「再環状化」という２ステップでの操作 ⇒ １ステップで状態変更できないか？
・短くなったメモリは復元不能 ⇒ メモリを復元（再利用）できないか？
[Head,1999]
「再環状化」 「切断」
3bitの例
別の手法による効率化の可能性
本研究の目的
環状DNA利用よりも効率化を図れる，
ヘアピン構造DNAを利用した分子メモリを作成し，
アクエアスコンピューティングを実現する．
ヘアピン構造DNAを利用した分子メモリ
ヘアピン
5’ 3’
＋ 5’ 3’
ヘアピンが
閉じている：1
開いている：0
でbitを表現
bitの状態：1 bitの状態：0
opener hairpin
・室温で反応が進むので温度調節は不要
・openerを混合するという１ステップだけで状態変更が可能
・溶液を高温から急冷することでメモリを初期状態に戻せる（再利用可）
ヘアピン構造DNAを利用した分子メモリ
DNA-HRAM（DNA Hairpin-based RAM）
多bitのDNA-HRAM
目標配列（4bit） 5’ 3’
5’ 3’
5’ 3’
5’ 3’
＋
opener hairpin A
B
C
D
A B C D
3’ 5’
・各hairpinはそれぞれのopenerによってのみ特異的に，且つ独立に開かれる必要がある． [上嶋,2003]
設計
・100merを越える長い配列を直接生成するのは技術的に困難な為，短い部品に分解したもの
を生成し，それらを組み立てることで目標配列を得る必要がある．
作成
・部品を組み立てる際，接合（ライゲーション）する箇所が固定されるような工夫が必要である．
考慮すべき点
・（ゲル電気泳動を利用した）確認方法自体を考案する必要がある．
動作確認
DNA-HRAMの作成 : 5’ リン酸基
hairpin A hairpin B hairpin C hairpin D
5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’ comp A comp AB comp BC comp CD
hairpin A hairpin B hairpin C hairpin D
5’
3’
comp AB comp BC comp CD comp DE 5’
3’
5’
3’
5’
3’
hairpin E
hairpin A hairpin B hairpin C hairpin D last E
10
10 13
7 10 10
10 10
ゲル電気泳動による作成状況の確認
配列長変化の利用
DNAは負の電荷を帯びており，電圧を掛けるとゲル中を正極へ向かって流れて行く．
一般的に長い配列ほど流れ難く，上の方にバンドが出るがヘアピン構造などの二次構造を
取る場合はその限りでない．
しかし，配列の長さや形状が変われば，泳動度には何かしらの変化が見られるはずである．
A B A+B
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
A+B+C+D+E
・・・
・・・
全部品を接合したときに他で見られないバンドが現れれば，それが目標配列であると判断できる．
作成実験結果
A + B + C + D + E
B + C + D + E
A + B + C + D
C + D + E
B + C + D
A + B + C
D + E
C + D
B + C
A + B
E D C B A
目標配列
A
B
C
D
E
: 5’ リン酸基
Marker
Markerは直鎖状２本鎖の長さの目安であり、１本鎖で且つヘアピン構造を取る本配列の場合、Markerとの比較で直接長さを読み取ることはできない。
10% PAGE
200V 35min
全部品を接合した場合
にだけ見られるバンド
A B C D
ゲル電気泳動による動作確認
形状変化の利用
配列の形状が変われば，泳動度に何かしらの変化が見られるはずである．
1111 0111 1011
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
0000
・・・
・・・
openerの作用によりメモリの形状が変化する．
これに伴い泳動度に差が生じることを利用して，全16状態の動作確認が可能であると考える．
A B C D
＋ ＋ ＋ ＋ ＋
動作確認実験結果 opener A
opener B
opener C
opener D
1 1 1 1(template)
0 1 1 1
1 0
1 1
1 1
0 1
1 1 1
0
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 0
1 0
0 1
1 0
1 0
1 1
0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 1 0 0
1 0
0 0
0 0 0 0
縦5倍拡大図⇒
10% PAGE
200V 45min
A B C D
全16状態
1 : 閉じている
0 : 開いている
A B C D
作成後に精製して目標配列のみにしたもの
opener を混合して hairpin を開くとメモリの形状が変化する．その形状
の違いによって生じる泳動度の差で，メモリの動作状況を確認する．
動作確認実験結果（拡大）
hairpin A, B, D については，開くことで泳動度に変化が現れたので，正常に動作していると判断される．
但し，1111 のバンドと 1101 のバンドがほぼ同じ位置に見えることから，hairpin C の動作には疑問が残る結果となった．
考えられる状況は，
1. opener C が機能していない
2. 偶然バンドに差が出ていない
3. hairpin C が形成されていない
これらの検証実験が必要である．
今後の課題
・泳動時間を長くしてみる
・別の検出法を適用する
・etc…
opener A
opener B
opener C
opener D
1 1 1 1(template)
0 1 1 1
1 0 1 1
1 1
0 1
1 1 1
0
0 0 1 1
0 1 0
1
0 1 1 0
1 0
0 1
1 0 1 0
1 1
0 0
0 0 0
1
0 0 1
0
0 1 0
0
1 0
0 0
0 0 0
0
1011
1111,1101
1110
0111
A B C D
A B C D
1 : 閉じている
0 : 開いている
全16状態（縦5倍拡大）
まとめ
・ DNA-HRAMの作成法を考案し，実際に4bitのDNA-HRAMを作成した
・ 動作確認を行ったところ hairpin A, B, D は正常に動作しているようだが
hairpin C については疑問の残る結果となった
現在進行中
・ゲル電気泳動による別の状態検出法の適用準備
・今後様々な実験を行う為，目標配列の増幅準備
今後
・hairpin C 動作確認の追実験，連続動作の実験
・DNA-HRAMによるアクエアスコンピューティングの実行（4bitの問題）
・更なる多bit化
