パラメータ制御方式による分子計算

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14085201
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 大内 東 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50002308)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 川村 秀憲 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (60322830) ; 山本 雅人 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (40292057)
• Keywords: DNAコンピューティング / 最短経路問題 / 計算精度 / PCR / ハイブリダイゼーション / 反応効率

Research Abstract

本年度は,各研究項目毎に以下のような研究成果を得た.
(1)塩基配列設計手法の確立
本研究では,ループの部分の塩基が一つであるシングルバルジループ構造の安定性について検討した.具体的には、シングルバルジループ構造をとるDNAの融解温度(Tm)を予測するために,Nearest-Neighborモデルの拡張を行いバルジループ部分配列の自由エネルギーを実験データに基づいて算出することを行った.バルジ部分が配列の真ん中にある場合について,部分配列の自由エネルギーの算出を行った.部分配列の種類,すなわち,算出する自由エネルギーの値は全部で64種類あり,それらのすべてについて算出を完了した.また,DNAの片側の末端部分が固相上に固定されていた場合に,固定されていない場合と比較して,バルジループ構造をとるDNAの安定性が変化することを示し,固相上でのDNAのハイブリダイゼーション反応を利用するDNAコンピューティングモデルを扱う際に注意が必要であることを実験によって示した.さらに,上記実験結果を反映させた塩基配列設計を考えた場合,最適化問題を効率的に解く必要がある.そこで,厳しい制約条件を満たす配列集合を求める際に2段階の探索を行う方法を提案しその有効性を示した.
(2)ヘアピンを利用したRAM…一本鎖DNAの内部に自分自身と相補な配列が存在する場合は,DNAがヘアピン構造をとる.これを利用したメモリの構築を行った.ヘアピン構造をとっているDNAを入れた溶液に,ヘアピン構造の一部に相補的な配列を入れると相補的な部分がアニールすることによってヘアピン構造が壊れる.ヘアピン構造をとっているときととっていないときをビットの0と1に対応させることによって,4ビットのメモリを構築した.各ビットに対応する相補配列を入れることでそのビットを0から1に変更することが可能となる.このメモリを構築し,正常に動作することを実験によって示した.

Research Products

• [Publications] 山本雅人, 大内 東: "DNAコンピューティングと最適化"平成16年電気学会全国大会講演論文集. 4-S19. 13-16 (2004)
• [Publications] Satoshi Kashiwamura, Atsushi Kameda, Masahito Yamamoto, Azuma Ohuchi: "General Protocol for Evaluating the Degree of Occurrence of Mis-Hybridization"Proceedings of the Ninth International Symposium on Artificial Life and Robotics (AROB 9th '04). 303-308 (2004)
• [Publications] Naoto Takahashi, Atsushi Kameda, Masahito Yamamoto, Azuma Ohuchi: "Construction and Verification of DNA Hairpin-based RAM"Proceedings of the Ninth International Symposium on Artificial Life and Robotics (AROB 9th '04). 388-391 (2004)
• [Publications] Masashi Nakatsugawa, Masahito Yamamoto, Azuma Ohuchi: "Study of the Efficient Parameter Setting based on Mahalanobis-Taguchi Strategy"Proceedings of the International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications (ITC-CSCC03). 640-643 (2003)
• [Publications] Satoshi Kashiwamura, Atsushi Kameda, Masahito Yamamoto, Azuma Ohuchi: "Two Step Search for DNA Sequence Design"Proceedings of the International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications (ITC-CSCC03). 1815-1818 (2003)
• [Publications] Keisuke Hashimoto, Atsushi Kameda, Masahito Yamamoto, Azuma Ohuchi: "State Transition Model Based on DNA Polymerization"Proceedings of the International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications (ITC-CSCC03). 1889-1892 (2003)
• [Publications] Naoto Takahashi, Atsushi Kameda, Masahito Yamamoto, Azuma, Ohuchi: "Construction of DNA Hairpin based RAM"Proceedings of the International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications (ITC-CSCC03). 1897-1900 (2003)
• [Publications] Fumiaki Tanaka, Atsushi Kameda, Masahito Yamamoto, Azuma Ohuchi: "The Effect on a Bonding Strength by the Freedom of Movement of a DNA strand on a Solid Support in DNA Computing"Proceedings of the International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications (ITC-CSCC03). 1901-1904 (2003)
• [Publications] Fumiaki Tanaka, Atsushi Kameda, Masahito Yamamoto, Azuma Ohuchi: "Nearest-Neighbor Thermodynamics of DNA Sequences with Single Bulge Loop"Proceedings of 9th International Meetings on DNA Based Computers (DNA9). 180-159 (2003)
• [Publications] A.Kameda, M.Yamamoto, H.Uejima, M.Hagiya, K.Sakamoto, A.Ohuchi: "Conformational Addressing using the Hairpin Structure of Single-strand DNA"Proceedings of 9th International Meetings on DNA Based Computers (DNA9). 197-201 (2003)
• [Publications] 大内 東, 山本雅人, 川村秀憲, 柴肇一, 高柳俊明, 當間愛晃, 遠藤聡志: "相互作用科学シリーズ生命複雑系からの計算パラダイム"森北出版株式会社. 201 (2003)