2020 Fiscal Year Research-status Report
Intrinsic universality of co-transcriptional folding
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20K11672
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
関 新之助 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (30624944)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 共転写性フォールディング / 折り畳みシステム / 分子自己組織化 / チューリング完全性 / Intrinsic simulation |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では3年間で折り畳みシステムに関する3つのワークプラン（WP）に取り組む。応募段階ではこれらWPについてそれぞれ20、21、22年夏を目途に完了することとしていた。折り畳みシステムはRNA鎖が遺伝子上の鋳型DNA鎖から合成される際に、合成と折り畳みが並行して進む現象「RNA cotranscriptional folding（CF）」の計算モデルである。この現象は生体内の様々な情報処理に重要な役割を果たしているが、数年前にはこの現象を工学的に応用し、人工的な矩形タイル構造を試験管内で自己組織化させる実験が成功している。CFの計算能力を調べることで、試験管内や生体内で自己組織化するCF駆動計算機開発への道が拓かれる。このような計算機は遺伝子にコード可能でありそれがもたらす計算が生存上有益であるならば世代を超えて自然と遺伝していくだろう。これにより遺伝子由来の疾患の根治などが期待できる。
WP1は予定より早く2020年の春には完了し、その成果は国際会議LATIN2020にて発表された。1次元セルオートマトン（CA）の振る舞いを折り畳みシステムで模倣することで、チューリング完全（TU）な折り畳みシステムの小型化を達成した。ここで折り畳みシステムのサイズは用いられる高分子の種類数と定義されている。既知のTU折り畳みシステムのサイズに比べ約1/3までの小型化に成功した。RNAは4種類の高分子A, C, G, Uのみから構成されているので、折り畳みシステムの小型化はその実装を容易にする。
WP2については当初の予定通りに進捗し現在最終段階に入っている。詳しくは次の進捗状況にて述べる。
研究成果に関して昨年度ドイツおよびオーストリアで開催が予定されていた国際会議での招待講演が予定されていたが、コロナの蔓延により渡欧が不可能となり会議自体も中止となったことをここで申し添えておきたい。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2020年夏よりWP2に取り組んできた。応募時点では格子走査オートマトンと呼んでいた新規モデルTuredoを模倣することで、折り畳みシステムの点到達可能性問題を調べるのが目的である。Turedoは2次元チューリングマシン（2dTM）の一種で、入出力ヘッドが現在置かれているセルとその近傍のセルに書かれた情報に基づいて現在のセルの情報を書き換え近傍セルの1つを選んでヘッドを移動させる。特に一度訪れたセルにはヘッドを決して戻さないという性質を満たす2dTMをTuredoと呼ぶ。このWPでは（WP2-1）まずTuredoの点到達可能性問題、すなわちTuredoと平面上の1点Pが与えられた時に、このTuredoがPに到達するかどうかを判定する問題、が決定できないことを証明し、（WP2-2）次にTuredoを模倣する折り畳みシステムを設計することで、折り畳みシステムの点到達可能性問題も決定できないことを証明するという方針であった。さらに、折り畳みシステムの初期構造σが与えられた時に、どのような転写産物（折り畳みシステムが折り畳む文字列）を以てしてもσから到達できない平面上の点Pを研究する発展課題WP2-3を予定していた。
WP2-1、2-2について上記計画通りの成果を得た。特に2-2の「Turedoの振る舞いを模倣する折り畳みシステム」の開発は困難を極めたが、様々な新機構の開発に至った。これらは今後の研究の発展に大きな役割を果たすことが期待されている。2-1にて我々が提唱したTuredo、およびその点到達可能性問題の非決定性は折り畳みシステム研究を越えて広くＴＭの研究においても重要な成果であり、これらを合わせて本年6月に国際会議FOCSに投稿すべく鋭意論文を執筆している。
本課題とは別にTMより計算能力が真に弱い折り畳みシステムの部分クラスに関する論文などを大学院生と共著で発表した。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初研究計画に基づき、今後1年間でWP3をすすめる。このWPの目的は折り畳みシステムの本質的計算完全性、すなわち全ての折り畳みシステムを模倣可能な一つの折り畳みシステムが存在するか、もしするならばそれをいかに設計するかという難問に挑む。WP2-2の成功によりTuredoを通してチューリングマシンやセルオートマトン、さらには分子自己組織化の分野でこれまで多くの研究が行われてきた計算モデルabstract Tile Assembly Model（aTAM）の本質的計算完全性に関する豊富な知見が折り畳みシステムにも適用可能となった。しかしそれでも難問であることに変わりはない。まずは応募段階で計画していた通り、折り畳みシステムのいくつかの部分クラスの中での本質的計算完全性に関する研究に取り組むのが確実である。
発展課題として計画に盛り込んだWP2-3についてはWP3の達成に直接的な影響を及ぼすものではないが、それ単体で意義のある研究課題である。研究室に在籍する学生と共同で検討を始めたところである。
並行して折り畳みシステムをより現実に即したモデルとするために、熱力学、統計力学に基づくモデルの拡張にも着手した。現行の折り畳みシステムでは一度平面上に固定された高分子は二度と位置を変えることはないが、それを拡張し局所的に高分子の位置を変更するイベントの概念を盛り込む。WP3に加えてこの新規研究計画もPierre Marcus（ENS Lyon）、Nicolas Schabanel（ENS Lyon）、および弊研究室卒業生の生方佑樹（NTT Data）と共同で推進する。本年度中の渡仏は現実的でないため、昨年度同様にオンラインでの意見交換を通じて研究を進める。
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| Causes of Carryover |
本研究課題の予算は主として国内、海外の共同研究者を訪問ないし招聘し、研究を推進するための旅費に充てられる予定であった。しかしコロナ感染症の影響によりそのような訪問、招聘を実施することが出来なくなり、全てオンラインに切り替えた。また物品費についても研究機関から配分される予算およびもう一つの科研費からの支出で賄うことが出来たため、2020年度は本予算からの支出が一切発生しなかった。
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| Remarks |
研究代表者はENS Lyonのprofessor inviteとして毎年1か月間ENS Lyonで研究を行うこととなっているが、2020年度はコロナ感染症により渡仏を見合わせた。そのため国際共同研究は全てオンラインで進めることとなった。
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