平成 14 年度科学研究費補助金 特定領域研究「分子プログラミング」研究経過報告「パラメータ制御方式による分子計算」
研究代表者： 大内 東 （北海道大学大学院工学研究科）
研究分担者： 山本 雅人（北海道大学大学院工学研究科）
川村 秀憲（北海道大学大学院工学研究科）【研究の背景と目的】
化学反応のもつ超並列性を利用した分子計算が注目を浴びるようになって以来，解候補の並列的生成，及び，検査といったいわゆる Adleman-Lipton パラダイムや，状態機械の実現による計算方式など数多くの分子計算手法が提案されてきた．これらに共通する問題として，計算誤差に関する議論がある．分子計算が生体分子を用いた化学反応に基づく計算手法である以上，計算誤差に関する議論は避けて通れない．計算誤差を望まれない反応が起こることとして用いることとする．計算誤差には，反応温度や分子濃度といった実験操作に起因する外在的なものが存在するが，これらは実験プロトコルの最適化を行うことによって誤差の減少が期待できるものである．しかしながら，こういった実験プロトコルの詳細な分析や，反応時間と反応効率の関係などの分析についての研究が行われていない現状がある．また，
DNA 濃度などが計算の重要な役割を果たす計算モデルでは，DNA 濃度の定量性の議論も必要となってきている．このような定量性を含めた計算モデルでは，より信頼性の高い計算手法が重要となる．一方，計算誤差は，塩基配列設計の問題に起因する場合も多い．従って，高信頼性を有する分子計算手法を確立するためには，DNA 塩基配列へのコーディングの問題，及び，実験過程におけるプロトコルの問題，の両面からアプローチする必要がある．
以上のような背景から本研究では，高信頼性を有する分子計算手法を確立することを目的とする．具体的には，実験におけるパラメータと反応効率や計算誤差の関係を数多くの実験によって徹底的に明らかにすること，及び，それらの成果からパラメータ制御方式による分子計算を実現し，近似計算としての計算モデルの確立することを目指す．また，ベンチマーク的な問題を解くことでの DNA 濃度の定量性などの検証，及び，信頼性の高い計算のための塩基配列設計の問題なども取り上げる．
目的達成のために，具体的に以下の項目について研究を行う．
(1) 反応時間と反応効率の関係の分析(2) PCR 増幅における実験プロトコルの最適化(3) DNA の濃度定量性についての検討(4) バルジループ構造を含む塩基配列の安定性測定【研究成果の概要】
本年度は，上記の項目毎に以下のような研究成果を得た．
(1) 反応時間と反応効率の関係について
カイネーション，ハイブリダイゼーション，ライゲーションといった化学反応は，Adleman-Lipton パラダイムにおいて重要な計算過程の一つである．本研究では，これらの反応時間短縮を目的として，カイネーション反応(リン酸修飾)，及び，ライゲーション反応(DNA 鎖の継ぎ目を結合させる反応)におけるカイネーション，ライゲーション反応時間と反応効率との関連を調べた．特に，ライゲーション反応が時間のかかる反応であることから，ライゲーション反応についての分析を中心に行った．具体的には，ライゲーション時間を 10秒から 20 時間程度まで変化させ，ライゲーション反応が実際に起こっているかを経路生成の問題に帰着させて測定した．その結果，ほぼ数秒でライゲーション反応の 90%以上が終了しており，その後はゆっくりと反応が進んでいることが確認できた．また，ライゲース(酵素)の濃度による影響もかなりあることがわかった．この成果により，DNA 分子計算における計算(反応)時間を大幅に縮める可能性を確認できた．(成果リスト[5]参照)(2) PCR 増幅における実験プロトコルの最適化
分子計算における実験操作の信頼性を向上させるような実験パラメータの調整方法の提案を行った．実験結果の再現性と増幅効率の尺度から構成される評価基準を信頼性と定義し，PCR による DNA の増幅過程に対して適用した場合の有効性について議論した．具体的には，長さ 80，及び，120 の塩基配列を持つ二種類の DNA を増幅するプロセスにおいて，増幅効率，及び，再現性を向上させるために品質工学的手法の適用を試み，実際に増幅効率向上，及び，再現性の向上を実験によって確認した．（成果リスト[2],[7]参照）(3) DNA の濃度定量性についての検討
DNA の濃度を計算結果として用いる計算モデルを最短経路問題に適用した．この際，ハイブリダイゼーション反応では，数多くの解候補(有向グラフ上の経路)を生成し，実際に生成される経路の濃度は，反応前の各 DNA の濃度に影響を受ける．このハイブリダイゼーション
反応過程における DNA 濃度の変化をシミュレータを作成することによって分析を行った．
また，シミュレータにおけるパラメータ調整のための実験系を設計して，実際に実験を行った．ハイブリダイゼーションによる経路生成を行い，その経路長毎の分離結果から生成経路DNA 結合体を定量可能とするためにシンプルな構造の有向グラフを利用した．実験結果からパラメータの調整を行い，シミュレーションモデルの有効性を検討した．
（成果リスト[2],[9]参照）(4) バルジループ構造を含む塩基配列の安定性測定
バルジループ(数塩基を飛ばして二本鎖を形成する)を含む DNA 塩基配列が二本鎖形成へ与える影響について調査した．特に，一塩基のバルジループが DNA 二本鎖のどの位置にあるかによって，二本鎖形成に対してかなり大きな影響を及ぼすことが予備的な実験により明らかになった．そこで，どの塩基がどの位置でバルジループとなることがどのように DNAの融解温度(TM)に影響を与えるかについて調べた．それらの結果より，長さ 20 塩基の DNAにおいては，真ん中に近い位置にバルジループがあるときに端の方にあるときより，融解温度が下がる傾向にあることがわかった．これらの性質は，塩基配列の異なる DNA においても共通に見られる現象であり，バルジループの位置によってどれだけ融解温度が下がるかをモデル化できる可能性を確認した．従来は，位置による影響を考慮していなかっただけに，DNA コンピューティングにおける塩基配列設計問題に関して重要な知見を得ることができた． (成果リスト[1]参照)

【成果リスト】[1] Fumiaki Tanaka, Atsushi Kameda, Masahito Yamamoto and Azuma Ohuchi: The Effect of theBulge Loop upon the Hybridization Process in DNA Computing, LNCS(ICES2003:The 5thInternational Conference on Evolvable Systems: From Biology to Hardware), to appear (2003)[2] Masahito Yamamoto, Atsushi Kameda, Nobuo Matsuura, Toshikazu Shiba, Yumi Kawazoe andAzuma Ohuchi: Local Search by Concentration Controlled DNA Computing, The International
Journal of Computational Intelligence and Applications (IJCIA), Vol. 2, No. 4, pp. 447-456 (2002)[3] Masashi Nakatsugawa, Satoshi Kashiwamura, Masahito Yamamoto, Toshikazu Shiba and Azuma
Ohuchi: Towards a High Reliability of the PCR Amplification Process in DNA Computing, The
International Journal of Computational Intelligence and Applications (IJCIA), Vol. 2, No. 4, pp.
423-432 (2002)[4] Yumi Kawazoe, Toshikazu Shiba, Masahito Yamamoto and Azuma Ohuchi: A Security System for
Personal Genome Information at DNA level, Proceedings of IEEE Computer Society Bioinformatics
Conference, pp. 314-320 (2002)[5] Atsushi Kameda, Nobuo Matsuura, Masahito Yamamoto and Azuma Ohuchi: An Analysis ofComputational Efficiency on DNA Computing, Proceedings of 3rd International Conference on
Unconventional Models of Computation (UMC' 02), pp. 191-198 (2002)[6] Satoshi Kashiwamura, Masahito Yamamoto, Atsushi Kameda, Toshikazu Shiba and Azuma
Ohuchi: Hierarchical DNA Memory based on Nested PCR, Preliminary Proceedings of EighthInternational Meeting on DNA Based Computers (DNA8), pp. 231-240 (2002)[7] Masashi Nakatsugawa, Masahito Yamamoto, Toshikazu Shiba and Azuma Ohuchi: Improvementof the Reliability of Experiments in DNA Computing, Preliminary Proceedings of Eighth International
Meeting on DNA Based Computers (DNA8), p. 333 (2002)[8] Toshikazu Shiba, Yumi Kawazoe, Masahito Yamamoto and Azuma Ohuchi: Constructions ofSecurity System for Information Encoded by DNA, Preliminary Proceedings of Eighth International
Meeting on DNA Based Computers (DNA8), p. 333 (2002)[9] Masahito Yamamoto, Atsushi Kameda, Nobuo Matsuura, Toshikazu Shiba, Yumi Kawazoe andAzuma Ohuchi: A Separation Method for DNA Computing Based on Concentration Control, NewGeneration Computing, Vol. 20, pp. 251-261 (2002)