2020 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 | 分子ロボティクス / 分子計算 / DNAコンピュータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度までに，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，計算モデルの理論的な解析を遂行してきた．
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を外部制御信号系列によって制御する問題の計算論的な解析を行ってきた．2020 年度は，この成果をより洗練すると同時に，単調な制御と非単調な制御の間に計算能力の違いがあることを明らかにした．消去型の場合のみの限定された成果ではあるが，非単調な制御を可能にするデバイス開発の計算論的な重要性を明示した成果である．
関数計算モデルに関しては，Reaction System を２つの外部信号によって単調に制御して任意のブール関数を選択して計算が行える計算モデルを提案してきた．しかし，この計算モデルは，実際の反応系との乖離があった．2020 年度は，DNA 分子による反応系に適合するように計算モデルを改良することを試みた．特に，実験研究者と理論研究者が共同して，この計算モデルを実装できるように改変することに取り組み，温度制御と光制御を組み合わせて実装する手法を考案した．
実験面では，理論解析の結果にもとづいて設計したDNAデバイスについて実験データの集積に着手した．温度制御デバイスについては，入力信号として複数の温度に対する反応を測定し，その結果を理論研究者にフィードバックすることにより，標準的な実験条件では異なる温度に対する反応効率の差がより大きな設計が必要なことを明らかにした．また，光応答デバイスについては，光応答性人工核酸CNVKによってあらかじめ光架橋した二本鎖を出発物質として用いたDNA鎖交換反応解析を試みた。その結果、実際に鎖交換反応を行う温度を考慮する必要があると考え、ミスマッチ導入、架橋位置の検討をおこなった。
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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
理論的に大きな進展として，単調な制御と非単調な制御の計算能力の違いを明らかにすることができた．有限な生成条件、および、消去型という計算形式に限られた成果ではあるが、非単調な制御を行うことによって、単調な制御では計算できないことを計算できることを示した．これは，非単調な制御デバイス開発の計算論的な意義を示したものであり、実験研究者側から出された課題を，理論研究者が解決したものである．実験面においては，実験研究者と理論研究者が協調して計算モデルの改変に取り組み，理論研究者が提案したDNA制御デバイスに関する実験データの集積に着手している．特に、実験結果のフィードバックから，制御デバイスの計算精度が大きく計算結果に影響を与える可能性を理論的に示すことに成功しており，すでに、計算モデルの改変に着手している．理論だけでなく実験面における共同研究においても成果をあげつつあり、研究計画は順調に進展していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
理論面においては，単調な制御と非単調な制御の計算能力の違いについて，より詳細かつ広範な解析を実施する．これにより，非単調な制御の計算論的な意義を正確に分析することが可能となる．また，実際のDNA分子の反応系に適合した Reaction System を提案することにより，実験研究と理論研究が密接につながった計算モデルと数理解析を遂行することを目指す．これまでの多くの理論研究は，実験と乖離した側面があり，これを解消することにより，真の理論と実験の協調を目指す．
実験面においては，すでに得られた実験データを分析して現在改良を試みている計算モデルの基礎実験データを集積することに着手する．このようなフィードバックをできるだけ多く繰り返すことにより，多機能DNAコンピュータを設計するための設計基盤を構築する．
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