生物物理 58（1），001-003（2018）
DOI: 10.2142/biophys.58.001
受理日：2017 年 10 月 4 日

トピックス

ナノポア計測によるDNAコンピューティングのデコーディング
川野竜司 東京農工大学工学研究院生命機能科学部門

1.

アシーケンサが実用化され市販されはじめた．このよはじめに

うにナノポア計測では，DNA を一分子レベルで計測

DNA コンピューティングは，DNA 分子を使った演でき，原理的にはその配列までリアルタイムで読むこ算である ．単純な例として “AND” 演算は，2 種類のとが可能である．

1)

DNA 分子が入力されると一種類の DNA 分子が出力

これまでマイクロデバイスを用い，二つのマイクロされ，入力分子が存在しない，または一種類しかない液滴の接触界面に脂質二分子膜を安定に形成させ，そ場合，分子は出力されない．電気信号による演算とはこでナノポア計測を行うシステムが提案されてい異なり DNA 分子を用いた演算では，入力分子，出力る 4), 5)．これを利用し筆者らは，はじめにドロップ分子ともに分子それ自身が情報を持っていることであレットの中で DNA を用いた演算を行い，その結果出る．したがって分子演算では単純な “0”，“1” の演算に力される DNA 分子を液滴界面に再構成したナノポア加え，より高度な情報を共役して使用することができで計測することで，リアルタイムかつ高速に演算を行る． こ れ ま で DNA 分 子 を 用 い た 演 算 は 一 般 的 にうデバイスを開発した（図 1）．実際には NAND 演算チューブ内で行われ，その結果の検出（デコーディン回路を作製し，入力のドロップレットから出力のドグ）は，出力された DNA が低濃度の場合 PCR などロップレットに計算した DNA がナノポアを通過しつで増幅し，電気泳動，または蛍光タグを用いて行われつ移動し，それを電気的に観測することで，約 10 分ている．これらの操作は時間や手間がかかる上に，計程度で計算ができた 6)．より高度なコンピューティン

算の結果，出力される分子を次の入力に使いづらいとグがドロップレットシステムで行えるかを確かめるたいう課題があった．本トピックスでは最近筆者らが取めに，次に入力分子を DNA にし，それを酵素を用いり組んでいるナノポア計測による計算結果のデコーて増幅しながら RNA にトランススクリプションする

ディングと DNA コンピューティングの医療診断応用

系を組み込んだ（図 2a）7)．これを AND ゲートとしについて概説する．て動作するように設計し，（0 0），（1 0），（0 1），（1 1）

2.の 4 種類の演算を同時に行えるようなマルチデバイス

ナノポア計測によるデコーディングを作製した（図 2b）．脂質分子で覆われたドロップ

ナノポア計測は，細胞をカウンティングするコールターカウンター法をナノスケールで行っていると考えるとわかりやすい．ポア形成膜タンパク質を利用した
生体ナノポア計測だと，脂質二分子膜中に再構成したナノポアタンパクのポアを通過するイオンの流れをイオン電流として計測する 2)．このポアの中に標的となる分子が入り通過すると，その間はイオンの流れを阻害するので，一分子の通過を阻害電流として観測できる．α-hemolysin（αHL）という溶血毒素のタン
パクナノポアは直径が 1.4 nm であり一本鎖 DNA（直図1
マイクロデバイス中の液滴の界面に脂質二分子膜を作製．チャネ
ル膜タンパク質ナノポアにより分子の移動を電気的に一分子レベ
ルで計測．

径約〜1 nm）の計測に適していることから，一分子DNA シーケンスを目的として膨大な研究が行われている 3)．最近 αHL とは別のナノポアを用いたナノポ

Decoding of DNA Computing by Using Nanopore Measurement
Ryuji KAWANO
Department of Biotechnology and Life Science, Tokyo University of Agriculture and Technology001

DNA 演算結果のナノポアデコーディング

一筆書きで巡回するような計算を比較的高速で解けるとされた．しかしながら，計算するまでの事前準備の煩雑さ，上述したようなデコーディングの問題，また半導体型のコンピュータの性能向上により最近
では並列計算よりも，生体分子であることを利用した
in vivo での情報処理や，医療診断などへの応用が研究されはじめている 9)．これまで筆者らのグループでもDNA コンピューティング技術を液体生検（リキッドバイオプシー）に応用するためいくつかの検討を行っている．特に癌の早期診断マーカーとして期待されるmicroRNA（miRNA）の診断に取り組んでいる．miRNAは短鎖（〜 20 nt）ノンコーディング RNA で，癌腫瘍細胞からその癌固有の配列を持った miRNA が分泌される．現在エクソソーム中の miRNA を用いた診断が中心であるが，エクソソーム外にも存在することが知られている．体液中の miRNA から癌の種類や進行度が診断できれば，例えばこれまで早期診断の難しかった膵臓癌や胆管癌などを早期に診断できる可能性がある．一方で miRNA は癌の種類によって複数種類のmiRNA の発現度が上昇，または下降するという複雑なパターンを示すことがわかっている 10)．従来法によりこれを正確に診断するためには，全ての miRNA の定量が必要になる．我々は，DNA コンピューティン

図2
ナノポア DNA コンピューティングシステム．a）DNA を RNA に変換増幅する AND ゲートをナノポアで検出．b）マイクロデバイス
中の 4 箇所の液滴で同時に（0 0）から（1 1）までの演算を行う．
酵素反応中に膜に影響が出ないよう液敵同士をセパレータで区切り，反応後出力分子をナノポアで検出する（右図）．

グ技術がこの miRNA のパターン認識に有用だと考え研究に取り組んでいる．
はじめに単純な系として 2 種類の miRNA が発現上昇する小細胞肺癌（SCLC）に関して検討を行った．
SCLC になると miR-20a と miR-17-5p という 2 種類のレット内では，多少反応効率の低下が見られたが，酵miRNA の濃度が上昇する．この 2 種類を AND ゲート

素反応の時間も含めおよそ 1 時間で全ての演算を行いの入力分子として用いナノポアにより演算結果を検出ナノポアにより結果の検出ができた．また 2 種類のするシステムの構築を行った．診断（計算）用の DNA

ゲ ー ト，OR と NOT を ド ロ ッ プ レ ッ ト デ バ イ ス でをあらかじめ設計しておき，2 種類の miRNA が存在別々に作製し，両者を接続することで NOR 回路を作する時のみ 4-way junction（4WJ）構造を作り，ナノポることにも成功している ．これらの検討を通し，ドアに詰まることで得られる阻害電流の検出を試みた．

ロップレットシステムによるナノポア計測で出力分子

miRNA がどちらもない場合，もしくはどちらか片一を計測する利点として，1）演算結果を反応直後に読方のみ存在するとき，全ての分子は一本鎖構造を取りめる（高速化），2）出力を分子情報と電気情報の 2 系

ナノポアを高速に通過しスパイク状の阻害電流が観測

統で取り出せる，の 2 つがあげられる．これにより従できる．これに対し 2 種類の miRNA が同時に存在す

来の電気デバイスとの組み合わせが容易になる．以上る場合，4WJ はナノポアを通過できず，長い阻害電の利点を活かし，次に実際の医療診断への展開を試み流を示す．このとき塩濃度や印加電圧を調整することたので紹介する．

で，特定の濃度以上の分子のみを検出できるように最8)3.

適化を行った．これにより miRNA の濃度が低い状態

DNA コンピューティングによる診断応用（健康状態）の時と癌になって発現が上昇した時を区DNA コンピューティングは，はじめ NP 困難のよ別することができた（論文投稿中）．

うな並列計算に有利であるとし研究が行われてきた．

DNA コンピューティングでは入力分子の情報を変

典型的には巡回セールスマン問題のように各都市を換し異なる分子「情報」として出力できる．これを診002

DNA 演算結果のナノポアデコーディング断系にも利用するために，SCLC 由来の miRNA が存は脂質膜に埋め込んで作動するので，上述した DNA

在すると SCLC 腫瘍細胞を標的とするアンチセンスコンピューティングシステムをリポソームやドラッグDNA 薬剤を自律的に放出し，「診断」と「治療」を同デリバリーシステム（DDS）系と組み合わせること．こで，自律的に診断治療を行う分子ロボットの構築も期時に行うセラノスティクスの構築に取り組んだ

11)のとき問題となるのは，通常の DNA コンピューティ待できる．

ングで用いられる鎖置換反応では入力分子に対し出力分子が等量で出力される．腫瘍を抑制するためには発文

現する miRNA の濃度よりも DNA 薬剤の濃度を高く

1)

Adleman, L. M. (1994) Science 266, 1021-1024. DOI: 10.1126/
science.7973651.

する必要があった．そこで核酸の等温増幅系を用い，2)標的となる miRNA が存在するとそれを自律的に診断

Gu, L.-Q. et al. (1999) Nature 398, 686-690. DOI: 10.1038/19491.

し，薬となる DNA 薬剤を大量に放出するシステムを

3)

Kasianowicz, J. J. et al. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93,13770-13773. DOI: 10.1073/pnas.93.24.13770.

開発した．ナノポア計測により液滴内で十分量の薬剤

4)

合成が 30 分で完了することをリアルタイム計測に確

Funakoshi, K. et al. (2006) Anal. Chem. 78, 8169-8174. DOI:
10.1021/ac0613479.

認できた．今後実際に体内で動作可能なシステムを構5)築するために分子ロボット技術 12) と組み合わせていKawano, R. et al. (2013) Sci. Rep. 3, 1995. DOI: 10.1038/
srep01995.

6)

く予定である．

Yasuga, H. et al. (2016) PLoS ONE 11, e0149667. DOI: 10.1371/
journal.pone.0149667.

最新の取り組みとして，この等温増幅系を利用しナ7)

ノポア計測による超低濃度 miRNA 検出にも挑戦してOhara, M. et al. (2017) ACS Synth. Biol. 6, 1427-1432. DOI:
10.1021/acssynbio.7b00101.

いる．miRNA はエクソソーム外の体液中にも低濃度8)存在し，また体内の循環腫瘍由来 DNA（ctDNA）もYasuga, H. et al. (2017) PLoS ONE 12, e0180876. DOI: 10.1371/
journal.pone.0180876.

9)

最近癌のマーカーとして期待されている．これらの血Jung, C., Ellington, A. D. (2014) Acc. Chem. Res. 47, 1825-1835.
DOI: 10.1021/ar500059c.

中濃度はおよそ fM 〜 pM であり，この濃度領域を計10)測する必要がある．我々も上記の等温増幅系と組み合

Di Leva, G. et al. (2014) Annu. Rev. Pathol. 9, 287-314. DOI:
10.1146/annurev-pathol-012513-104715.

わせこれまでのナノポア計測の下限であった 1 pM よ11)

Hiratani, M. et al. (2017) Anal. Chem. 89, 2312-2317. DOI:
10.1021/acs.analchem.6b03830.

りもさらに低濃度の 1 fM の miRNA の検出に成功し12)ている 13)．これにより既知の配列の核酸であれば，比Hagiya, M. et al. (2014) Acc. Chem. Res. 47, 1681-1690. DOI:
10.1021/ar400318d.

較的簡単な前処理により体液中の有用な情報を持つ核

13)

酸分子を直接計測可能になると期待する．
4.

献Zhang, H. et al. (2017) Nanoscale, in press. DOI: 10.1039/
C7NR04215A.

おわりにナノポア計測により DNA コンピューティングの出力分子を検出することで，高速にまた分子から電気情報に変換できる．これを利用した医療診断システム構築に関しても筆者らの最近の取り組みを含めて概説した．最近ではナノポアシーケンサも実用化され，ナノポア計測によるその場診断も期待されている．しかし

川野竜司

ながら依然 in vitro での検討が多く，今後実際の体液や in vivo での検討が必須である．また生体ナノポア

トピックス

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川野竜司（かわの りゅうじ）
東京農工大学工学研究院生命機能科学部門テニュ
アトラック特任准教授
2005 年横浜国立大学工学研究科博士課程修了，博士（工学）．その後学振海外特別研究員（ユタ大学），KAST 竹内プロジェクト研究員を経て 14
年から現職．
研究内容：人工細胞膜，ナノポア，分子ロボット
連絡先：〒 184-8588 東京都小金井市中町 2-24-16
E-mail: rjkawano@cc.tuat.ac.jp
URL: http://www.tuat.ac.jp/~rjkawano/