• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2015 年度 実績報告書

核酸を用いたプログラム可能な反応拡散系の設計および実装に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 26880002
研究機関東北大学

研究代表者

川又 生吹  東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30733977)

研究期間 (年度) 2014-08-29 – 2016-03-31
キーワードDNAコンピュータ / 反応拡散系 / パターン形成 / ゲルオートマトン
研究実績の概要

申請書の内容に従い、DNAを用いた反応拡散系について理論面、実験面から研究を行った。まず理論面ではシミュレーションを用いてDNA反応拡散系のゲルオートマトンへの応用方法を試みた。ゲルオートマトンとは、ハイドロゲルにより空間を離散化し、分子の反応と拡散により計算やパターン形成などを行う枠組みである。純粋な数理モデルであるセルオートマトンに、化学反応に由来する制約を付け加えたモデルであり、既存の遷移規則などを直接は実装できないなどの課題がある。
本研究ではゲルオートマトンの一例として、空間の離散化や反応速度論に基づいた偏微分方程式を立てることで、迷路の答えを計算する反応拡散系の設計およびシミュレーションに成功した。またDNA論理演算素子を組み合わせることで、計算万能な反応拡散系の構築方法を発見し、ゲルオートマトンの計算能力を評価することができた。
実験面ではゲルオートマトンの実装に必要な基盤技術の開発を行った。アルミで作成したゲル成型枠を用いPDMSの鋳型を作成し、さらにアルギン酸ゲルの枠を作成する手法を開発した。さらにDNAにポリマーを結合させることで、DNAのゲル壁の透過性を制御することが可能となった。これをDNAの鎖置換反応と組み合わせることで、ゲルでできたセルどうしが一度だけ通信する様子を観察することに成功した。
通信可能な回数を増やす目的で、単純なDNA連鎖反応の設計にも着手した。平成26年度に行っていたアルギンゲルビーズに閉じ込めたDNA反応系を、ゲルで充填された空間に配置することで、パターン形成が可能となった。具体的には申請書で提案していた垂直二等分線を化学反応で描くことに成功した。今後は反応を複雑化し、理論的に評価された計算能力を実験的に検証する方法を検討する。

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Supramolecular 1-D polymerization of DNA origami through a dynamic process at the 2-dimensionally confined air?water interfacet2016

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Yonamine, Keitel Cervantes-Salguero, Kosuke Minami, Ibuki Kawamata, Waka Nakanishi, Jonathan P. Hillab, Satoshi Murata, Katsuhiko Ariga
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 18 ページ: 12576-12581

    • DOI

      10.1039/C6CP01586G

    • 査読あり
  • [雑誌論文] In situ 2D-extraction of DNA wheels by 3D through-solution transport2015

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Yonamine, Keitel Cervantes-Salguero, Waka Nakanishi, Ibuki Kawamata, Kosuke Minami, Hirokazu Komatsu, Satoshi Murata, Jonathan P. Hillab, Katsuhiko Ariga
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 17 ページ: 32122-32125

    • DOI

      10.1039/C5CP05765E

    • 査読あり
  • [学会発表] DNAによるゾルゲル・ゲルゾル相転移の時空間発展2016

    • 著者名/発表者名
      川又生吹
    • 学会等名
      新学術領域分子ロボティクス領域会議
    • 発表場所
      愛知県蒲郡市、ホテルたつき
    • 年月日
      2016-03-14 – 2016-03-16
  • [学会発表] DNA反応のカスケードをプログラムして時間的・空間的に発展させる2015

    • 著者名/発表者名
      川又生吹
    • 学会等名
      分子ロボティクス定例研究会
    • 発表場所
      宮城県仙台市、東北大学青葉山キャンパス
    • 年月日
      2015-12-05 – 2015-12-05
  • [学会発表] Traveling of gelation and solation of polymer using reaction and diffusion of DNA2015

    • 著者名/発表者名
      Ibuki Kawamata
    • 学会等名
      Japanese Society for Cell Synthesis Research 8.0
    • 発表場所
      大阪府吹田市、大阪大学吹田キャンパス 銀杏会館
    • 年月日
      2015-11-12 – 2015-11-13
    • 招待講演
  • [学会発表] Molecular information processing in micro gel beads with entrapped DNAs2015

    • 著者名/発表者名
      Satoru Yoshizawa
    • 学会等名
      The 21th International Meeting on DNA Computing and Molecular Programming
    • 発表場所
      Harvard Univeristy, Cambridge, Massachusetts, United States of America
    • 年月日
      2015-08-17 – 2015-08-21
    • 国際学会
  • [学会発表] Encapsulated DNA and Enzyme Reaction-Diffusion Network for Simple Cellular Automaton2015

    • 著者名/発表者名
      Ibuki Kawamata
    • 学会等名
      The 21th International Meeting on DNA Computing and Molecular Programming
    • 発表場所
      Harvard Univeristy, Cambridge, Massachusetts, United States of America
    • 年月日
      2015-08-17 – 2015-08-21
    • 国際学会
  • [学会発表] Toward Programmable and Autonomous DNA Computing2015

    • 著者名/発表者名
      Ibuki Kawamata
    • 学会等名
      分子ロボティクス若手研究会
    • 発表場所
      東京都港区、東京工業大学田町キャンパス
    • 年月日
      2015-08-01 – 2015-08-01
  • [図書] Book chapter “Design Automation of Nucelic Acid Reaction System Simulated by Chemical Kinetics Based on Graph Rewriting Model” in Evolutionary Computation in Gene Regulatory Network Research2016

    • 著者名/発表者名
      Ibuki Kawamata, Masami Hagiya
    • 総ページ数
      464
    • 出版者
      WILEY

URL: 

公開日: 2017-01-06  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi