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2016 年度 実績報告書

分子ロボットの行動プログラミングのための制御系構築

研究課題

研究課題/領域番号 15H01715
研究機関東北大学

研究代表者

村田 智  東北大学, 工学研究科, 教授 (10334533)

研究分担者 中茎 隆  九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 准教授 (30435664)
川又 生吹  東北大学, 工学研究科, 助教 (30733977)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2019-03-31
キーワードDNAコンピュータ / 分子ロボティクス
研究実績の概要

(1)プログラムした時系列に従って,決められた塩基配列をもつDNA鎖を順次出力するシステム(PSG)によるDNAピンセットの開閉制御について,これまでに行った実験データを詳細に解析した.その結果,相補鎖を交互に出力することからさまざまなリーク反応が生じることが分かった.そこで相補鎖の出力を必要としない実験系として,新たに微小管のグライディングアッセイにおける微小管束の集合-離散の制御系を設計し,顕微観測システムを構築するとともに,微小管運動を再現できることを確認した.
(2)初年度から継続して,DNA化学反応を偏微分方程式としてモデル化し,反応拡散系としてシミュレートする手法の開発に取り組んだ.モデルの持つ計算能力や実験結果などを国際会議で発表した.また平成28年度はDNA化学反応系を自動的にモデル化し,速度論的な解析を行うシミュレータの実装を行い,ユーザーインターフェースを持つプロトタイプの開発に成功した.シミュレータでは,手動で行っていた様々な二次構造を持つDNA分子種の列挙をグラフ理論に基づき自動化し,さらに既存の論文に基づいた速度定数の推定を行うことで,列挙した分子種それぞれの濃度を変数とした常微分方程式が自動的に組み上がるようになっている.
(3)すでに論文報告した遡及性理論をベースとする濃度レギュレータ(CR)の設計法により,数値シミュレーションにおいて,CRの動作確認は完了した.CRはDNAコンパレータを有するオン・オフ制御系を模した系であるが,実験での検証に向けて,制御系の低次元化を行った.その結果,制御構造を大幅に簡単化することに成功した.CADを用いてDNA鎖の塩基配列設計を行い,年度後半に検証実験を行った.現在,塩基配列の再設計を行いながら検証実験を継続している.また,CRに関しては,安定性と制御性能解析の問題が残されており,その設計理論に取り組んだ.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

実験系による実証について,リーク反応等の課題が明確になってきた.シミュレーション手法および制御理論的アプローチについては,いずれも大きな進展があり,論文としてのとりまとめも進んでいる.

今後の研究の推進方策

引き続き実験系による検証を進めるとともに,反応シミュレータおよび反応系設計理論についての得られた成果を論文として公表し,この分野の研究者・技術者に提供できる形にまとめたい.

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Discretization of Chemical Reactions in a Periodic Cellular Space2017

    • 著者名/発表者名
      Takabatake Fumi、Kawamata Ibuki、Sugawara Ken、Murata Satoshi
    • 雑誌名

      New Generation Computing

      巻: 35 ページ: 213~223

    • DOI

      DOI:10.1007/s00354-017-0009-z

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Micrometer-sized molecular robot changes its shape in response to signal molecules Science Robotics2017

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Sato, Yuichi Hiratsuka, Ibuki Kawamata, Satoshi Murata, Shin-ichiro M. Nomura
    • 雑誌名

      Science Robotics

      巻: 2 ページ: -

    • DOI

      10.1126/scirobotics.aal3735

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Unzipping and Shearing DNA with Electrophoresed Nanoparticle in Hydrogel2017

    • 著者名/発表者名
      Keitel Cervantes-Salguero, Ibuki Kawamata, Shin-ichiro M. Nomura, Satoshi Murata*
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: - ページ: 1-4

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Pattern Formation and Computation by Autonomous Chemical Reaction Diffusion Model Inspired by Cellular Automaton2016

    • 著者名/発表者名
      Ibuki Kawamata, Takuto Hosoya, Fumi Takabatake, Ken Sugawara, Shin-ichiro M. Nomura, Teijiro Isokawa, Ferdinand Peper, Masami Hagiya, Satoshi Murata
    • 雑誌名

      Proc. The Frouth International Symposium on Computing and Networking (CANDAR)

      巻: - ページ: 215-221

    • DOI

      10.1109/CANDAR.2016.0046

    • 査読あり
  • [学会発表] 分子ネットワークを創成する分子ロボティクスと解明するシステム2017

    • 著者名/発表者名
      中茎隆
    • 学会等名
      第4回制御部門マルチシンポジウム
    • 発表場所
      岡山大学津島キャンパス(岡山市)
    • 年月日
      2017-03-06 – 2017-03-09
    • 招待講演
  • [学会発表] DNA鎖置換反応で創られるシステムのロバスト性2017

    • 著者名/発表者名
      中茎隆,川又生吹,村田智
    • 学会等名
      第29回自律分散システム・シンポジウム
    • 発表場所
      調布クレストンホテル(調布市)
    • 年月日
      2017-01-30 – 2017-01-31
  • [学会発表] ヘアピンDNA連鎖反応を用いたリポソームの凝集制御2017

    • 著者名/発表者名
      大瀧 悠登,川又 生吹,高畠 芙弥,野村 M. 慎一郎,村田 智
    • 学会等名
      第29回自律分散システム・シンポジウム
    • 発表場所
      調布クレストンホテル(調布市)
    • 年月日
      2017-01-30 – 2017-01-31
  • [学会発表] 特異摂動理論を用いたDNAフィードバックレギュレータの応答解2016

    • 著者名/発表者名
      藤本圭伍,中茎隆
    • 学会等名
      計測自動制御学会 システム・情報部門 学術講演会 (SSI2016)
    • 発表場所
      ウカルちゃんアリーナ(大津市)
    • 年月日
      2016-12-06 – 2016-12-08
  • [学会発表] 周期状態遷移を行う非同期セルオートマトン2016

    • 著者名/発表者名
      礒川 悌次郎 (兵庫県立大学), ペパー フェルディナンド (情報通信研究機構), 川又 生吹 (東北大学), 松井 信之 (兵庫県立大学 ), 村田 智 (東北大学), 萩谷 昌己 (東京大学)
    • 学会等名
      計測自動制御学会 システム・情報部門 学術講演会 (SSI2016)
    • 発表場所
      ウカルちゃんアリーナ(大津市)
    • 年月日
      2016-12-06 – 2016-12-08
  • [学会発表] DNAフィードバックレギュレータの設計2016

    • 著者名/発表者名
      緒方研仁,中茎隆
    • 学会等名
      計測自動制御学会 システム・情報部門 学術講演会(SSI2016)
    • 発表場所
      ウカルちゃんアリーナ(大津市)
    • 年月日
      2016-12-06 – 2016-12-08
  • [学会発表] DNAフィードバックレギュレータの設計2016

    • 著者名/発表者名
      緒方研仁,中茎隆
    • 学会等名
      第59回自動制御連合講演会
    • 発表場所
      北九州国際会議場(北九州市)
    • 年月日
      2016-11-10 – 2016-11-12
  • [学会発表] DNA鎖置換反応のロバスト性に関する一考察2016

    • 著者名/発表者名
      大曲智隆,中茎隆,川又生吹,村田智
    • 学会等名
      第59回自動制御連合講演会
    • 発表場所
      北九州国際会議場(北九州市)
    • 年月日
      2016-11-10 – 2016-11-12
  • [学会発表] Pattern Formation and Computation by Autonomous Chemical Reaction Diffusion Model Inspired by Cellular Automaton2016

    • 著者名/発表者名
      Ibuki Kawamata, Takuto Hosoya, Fumi Takabatake, Ken Sugawara, Shin-ichiro M. Nomura, Teijiro Isokawa, Ferdinand Peper, Masami Hagiya, Satoshi Murata
    • 学会等名
      The Frouth International Symposium on Computing and Networking
    • 発表場所
      Higashi Hiroshima Arts and Culture Hall(東広島市)
    • 年月日
      2016-07-22 – 2016-07-27
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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