2019 Fiscal Year Annual Research Report
Construction of Theory and Design Principle of Molecular Computing Systems Realizing Functional Multiplicity by Control Signal Sequences
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19H04204
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
小林 聡 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (50251707)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小宮 健 東京工業大学, 情報理工学院, 助教 (20396790)
藤本 健造 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (90293894)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 分子計算 / 分子ロボティクス / DNA計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度は，生成モデルのタイプと関数計算モデルのタイプの２つの計算モデルを理論研究者と実験研究者の協調により構築した．生成モデルに関しては，DNAナノ構造を生成するシステムの計算モデルとして，未知の振る舞いを持つ右線形文法モデルを提案し，外部から制御信号系列を与えて制御する問題の計算論的な解析を行った．すでに，単調性を有する制御機構の場合には，与えられた任意の文字列（線形なDNA構造）を制御して生成するためには，多くの信号（温度制御の場合は温度，光制御の場合は波長）の数が必要であることがわかっていたが，この制御信号の個数を大幅に減らすことができることを理論的に示した．
関数計算モデルに関しては，Rozenberg らが提案している Reaction System を外部信号による制御を与えられるように拡張し，外部信号による制御によって任意のブール関数を選択して計算が行えることを明らかにした．しかも，重要な成果として，どのようなReaction System の制御による計算も，２つの信号だけを用いて実現できることを示した．これは，実験において，２つの信号のみを準備すればよいことを意味する．
これらの理論解析から得られる指針に基づいて多機能DNAコンピュータを実現するためには，光照射や温度変化に応答するDNAデバイスを開発することが必須である．光応答性DNAデバイスについては，異なる２波長によるマルチ制御に向け、新規光応答性人工核酸としてピラノカルバゾールのトレオニノール修飾体の開発に成功した。４００nmの可視光を数秒照射することにより核酸同士を光架橋することができた。また，温度に応じて特異的に反応するDNAデバイスの開発に関しては，理論解析から得た指針を実装するために，DNAの反応動作を分子実験で検証し，非特異的な動作を抑制する条件や化学修飾を明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
外部信号系列によって多機能性を発現するDNAコンピュータを構築するための基盤として，生成モデルのタイプと関数計算モデルのタイプの２種類の計算モデルを理論研究者と実験研究者が協調して提案し，その解析を行うことに成功した．特に，生成モデルとして提案した「未知の振る舞いをもつ右線形文法」を外部信号によって制御する問題では，信号数を大きく削減することができることを理論的に示した．多機能DNAコンピュータを構築するための理論面からの貢献である．一方，実験研究者は，理論的な解析結果から，信号の種類を増やす必要があることがわかっているので，光照射や温度変化に応答するデバイスの開発に取り組んでおり，光応答デバイスについては有力なデバイスが開発でき，温度変化に応答するデバイスについては，非特異的なDNAの動作を抑制する条件や化学修飾を明らかにすることにより，今後のデバイス開発の基盤を作り上げることができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
計算モデルとして採択した Reaction System は生物の代謝システムなどを参考にした計算モデルであるため，DNAコンピュータの計算モデルとしては適していない側面がある．それは，Reaction System には inhibitor が許されていたり，反応が同期して１ステップずつしか進行しない，という点である．そこで，今後は，この理論と現実の不一致を解消するべく理論面からの歩み寄りを目指して理論研究を進める．一方，実験研究者は，外部信号によって制御可能なデバイスの開発を発展させる．これら両者の研究努力の協調により，多機能なDNAコンピュータの設計と実装にむけた挑戦に着手する．
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