2023 Fiscal Year Research-status Report
複雑な情報処理を行うプログラム可能な人工分子回路の設計法に関する革新的研究
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20KK0331
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
中茎 隆 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (30435664)
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| Project Period (FY) |
2021 – 2024
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| Keywords | DNAコンピューティング / 多層パーセプトロン / マイクロ流体デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本国際共同研究では，人工分子回路の理想的なアナロジーとして、細胞内シグナル伝達系を据え，制御理論を基盤とする基課題に，シグナル伝達系の動作原理とマイクロデバイス技術を融合した多層パーセプトロン回路の開発を行う。具体的には，DNAコンピューティング技術をベースに，DNA鎖間の結合・解離反応を設計し連鎖させる反応系（以後，DNA回路）に多層パーセプトロン演算を実装することを目指す。国際共同研究先への渡航は，2023年5月に完了したが，帰国後も国際共同研究者との共同研究を精力的に継続している。
(1)リーク反応などの副反応に頑強なDNA回路設計の実験レベルでの検討：前年度までに，机上での設計は完了しており，シミュレーションレベルでの動作検証も完了していた。今年度は，実験レベルでの検証を本格的に実施した。特に，提案する設計手法を定量的に評価するために必要な計測方法・治具を新たに製作し，評価実験系を確立した。
(2)再生化機構の実験レベルでの検討：単純パーセプトロン回路は学習のために繰り返し反応場に与えられる入力刺激に対して応答する機構（再生化機構）が必要となる。DNA回路設計の自由度を拡大すべく，昨年度までは，RNAを融合した設計法と再生化機構への応用について検討を行った。しかし，RNAとDNAを併用する設計法は必ずしも最適とは言えないことが分かったため，方針を転換し，DNA分解酵素や光応答性分子を用いた再生化機構の設計を検討した。
(3)マイクロ流体デバイスによるパーセプトロン回路の実現方法の検討：上記(1-2)について，試験管での基礎実験に加え，本番環境であるマイクロ流体デバイス（BIO-PCシステム）上での実証実験が必要となる。今年度は，国際共同研究者が保有する実験評価系であるBIO-PCシステムを，自身のラボでも利用できるようにデバイス製作を推進した。
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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
2023年5月に帰国後も，継続して国際共同研究を精力的に推進している。
(1)リーク反応などの副反応に頑強なDNA回路設計の実験レベルでの検討について：新たな設計法について，机上での検討，および，シミュレーションレベルでの検証は渡航中に完了した。帰国後は，実験レベルでの本格的な検証を推進している。「研究実績の概要」で記述したように，今年度は実験評価系を確立した。一方で，設計法について理論的な裏付けが不完全であり，未解決問題であった。制御理論の枠組みで提案手法を解析的に説明すべく，国際共同研究者との共同研究は継続して推進しており，マイルストーンとなる成果を国際共著にて，査読付き国際会議論文として投稿した。
(2)再生化機構の実験レベルでの検討：渡航中に，再生化機構について，DNA，RNA，人工核酸，酵素系を含め，包括的な検討を国際共同研究者との協働により検討した。今年度は，DNA分解酵素と光応答性分子を用いた再生化機構に着目し研究を推進した。本研究において得られた知見を含む研究成果を，国際共著にて学術論文として発表した（DNAコンピューティング分野で広く知られている化学系ジャーナルACS Synthetic Biology誌にて掲載）。
(3)マイクロ流体デバイスによるパーセプトロン回路の実現方法の検討：今年度は，国際共同研究者が保有する実験評価系であるBIO-PCシステムを，自身のラボでも利用できるようにデバイス製作を推進した。具体的には，国際共同研究者からの協力を得て，デバイス製作に関する様々なノウハウや知見を得ながら，所属大学キャンパス内での試作を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
メールやテレビ会議などのツールを活用して，国際共同を効率的に推進するとともに，必要に応じて短期での訪問を計画する。また，得られた結果は，適宜，学術論文，査読付き国際会議論文等として発表する。
DNA回路設計および再生化機構の実験レベルでの検討に関して，提案手法の実証実験を昨年度に引き続き推進する。また，制御理論に基づく解析も精力的に進め，最終年度として，理論と実証実験の双方を推進する。
また，マイクロ流体デバイスによるパーセプトロン回路の実現方法の検討に関して，デバイスの改良（カプセルの補足率の向上，トラップ構造の最適化，流体の流れ場の改良など）を進める。その上で，上記のDNA回路を包含するカプセルをマイクロ流体デバイスに幾何学的に配置し，カプセル間での分子通信（拡散）に基づくネットワークを構成し，知的な情報処理を行う原理検証を行う。
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[Presentation] DNA high-pass filter gate2023
Author(s)
Tatsuhiro Saitoh, Kaori Aso, Tom Greef and Takashi Nakakuki
Organizer
The 29th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA29)
Int'l Joint Research
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