Intrinsic universality of co-transcriptional folding

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K11672
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 60010:Theory of informatics-related
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: Seki Shinnosuke 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (30624944)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 分子プログラミング / 共転写性フォールディング / RNAオリガミ / オリタタミモデル / 本質的計算完全性 / チューリングマシン

Outline of Final Research Achievements

An RNA sequence folds while being transcribed, that is, synthesized sequentially from its DNA template. This so-called co-transcriptional folding plays vital roles in assembling structures and computing in-vivo. Geary et al. demonstrated experimentally how to program a specific tile-like structure into a template such that the corresponding RNA sequence folds co-transcriptionally into the target structure. A formal model called Oritatami aims at developing this architecture further towards computation. It has been proved capable of computing all computable functions. However, such Turing-universal oritatami systems (OS) were too complicated to be implemented in the laboratory. In this project, we have simplified a TUOS to a considerable extent. More importantly, we designed a compiler from a variant of Turing machine, which can be easily programmed, to an OS. As a result, oritatami programming have been sufficiently simplified for their actual implementations in the laboratory.

Free Research Field

分子プログラミング

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

分子プログラミングは生体高分子の振る舞いの観察ではなく、我々の意図するように振る舞う高分子の設計を目的とする。オリタタミはこの分野において最も新しいモデルの一つである。抽象タイルアセンブリモデル（aTAM）は、理論研究がDNAベースの様々な分子計算システムの実装につながっており、理論と実験の協働がこの分野でうまく機能している好例である。aTAMは多数の高分子の凝集による自己組織化のモデルであり、オリタタミが扱うRNA1本鎖のフォールディングによる自己組織化とは本質的に異なる。生体内の計算はRNAが司っており、オリタタミの研究により生体内で自動構築、治療を行うシステムなどの実用化が期待される。