形態変化する分子を用いた並行計算と分散計算
萩谷昌己・John A. Rose（東京大学・大学院情報理工学系研究科）
陶山明（東京大学・大学院総合文化研究科）
藤井輝夫・山本貴富喜（東京大学・生産技術研究所）
浅沼浩之（東京大学・先端科学技術研究センター）
村田智（東京工業大学・大学院総合理工学研究科）
岩崎裕・吉信達夫（大阪大学・産業科学研究所）
西川明男（大阪電気通信大学）

目標
本研究は，分子コンピューティング技術をナノテクノロジーとバイオテクノロジー（特に遺伝子計測）へ応用することを念頭において，分子と分子反応の設計論を確立することを目指している．そのために，分子の形態変化，会合と局所的反応，反応の多重化の三つの軸に沿って研究を進める．

反応の多重化
会合と局所的反応
分子の設計に関しては，特に形態変化する分子をその中心におく．形態変化によって複数の状態間の遷移が可能な分子は，分子マシンや分子素子の基礎となるだろう．これと，分子反応の設計に関する二つの軸（会合と局所的反応および反応の多重化）を組み合わせる．
会合は複数の分子が複合体を形成することである．局所的反応とは分子の複合体において近傍の分子とのみ可能な反応のことであり，分子間の通信を実現し，分子による分散計算の基礎になると考えられる．会合と局所的反応によって，プログラムされた分子の自己組織化によるパターン形成，パター
ンの固体表面への固定，固体表面上でのパターン形成などが可能となる．分子の形態変化と会合や局所的反応を組み合わせることにより，さらに複雑な分散計算，そして，パターン形成が可能になるだろう．
反応の多重化とは，並行に進む複数の反応をシステマティックに組み合わせることを意味している．
分子の形態変化は多重化すべき反応の一つとして自然に含まれ，多様な形態変化が並列に実行されることになる．生化学反応の自動制御ロボットやマイクロ生化学システムにおける反応が多重化された反応の典型例であり，このような反応の設計論を確立することが本研究の目標である．特に，ハイブリッ
ド型 DNA コンピュータとシリコン樹脂を用いたマイクロ生化学システム，および，これらの DNA コンピュータにおける反応を効率よく制御するためのプログラミング言語とコンパイラの開発を行い，遺伝子発現解析や SNP 解析への応用を目指す．

本年度の研究実施計画◎分子の形態変化 ⇒ 分子マシン
萩谷は昨年度に引き続き，形態変化する DNA 分子の設計方法に関する研究を行う．特に，入力に依存して異なる二次構造へ変化する DNA 配列の設計方法の開発を行う．さらに，分子間の局所的なイ
ンタラクション（近傍の分子とのみ可能な反応）について検討を行う．浅沼は，アゾベンゼンの trans-cis
異性化に伴う二重鎖の形成と解離の光制御機構を物理化学的な分析とコンピューターモデリングにより明らかにし，より高効率な光応答性 DNA を設計・合成する．更に，これを用いて核酸を用いた分子マ
シンの光制御を目指す．
◎分子の自己組織化 ⇒ 微小パターンの形成
岩崎，吉信，西川は，昨年度に行われたシリコン表面におけるタンパク質の微細構造形成の研究をさらに推進し，シリコン表面へ DNA を固定することによる微細構造形成も試みる．また，シリコンの表面に加えて，他の物質表面への技術の転用の可能性も検討する．これらを通して，分子計算技術に基づく
微細構造形成の基礎技術の構築を目指す．村田は，仮想バネモデルによる分子の自己組織的集合モデルを発展させ，実際のＤＮＡ分子の物理化学的性質を考慮したより精密なモデルを構築することによって，ＤＮＡ分子集合体の形状（輪郭）および格子パターンを制御する方法論の確立を目指す．
◎DNA コンピュータ ⇒ バイオテクノロジーへの応用
陶山は，昨年度はハイブリッド型 DNA コンピュータの分子計算部の内部コードで使用される信頼性の高い DNA 符号の開発を行った．今年度はそれを用いたハイブリッド型 DNA コンピ ュータ上で遺伝子解析や NP 完全問題を解くための DNA コンピュータプログラムを実行し，内部コードを構成する DNA
符号の評価とハイブリッド型 DNA コンピュータの分子計算部の CPU が備えている命令を実行する
DNA 分子反応の評価と拡張を行なう．山本らは微小流路構造を持つマイクロ流体デバイスにて分子計算実装技術の開発に取り組む．前年度までに，微小流路内において微小液滴（容量：数 nL）操作を可能とするデバイスを作製し DNA ハイブリダイゼーションを行ったが，本年度は，液滴ベースで制限酵素反応を実現するようなデバイス製作を目指す．微量な液滴で反応操作を行うこで，酵素の総反応時間すなわち，分子による計算時間を短縮することが期待できる．また，微小流路内に電極を作りこみ電気
泳動にて反応後の出力である DNA を分離できる集積化デバイスの設計に取り組む．萩谷は昨年度に引き続き，ハイブリッド型 DNA コンピュータのためのコンパイラの開発を行う．特に，整数線形計画法を応用して最適な命令スケジューリングとリソース割り当て実現する方法を確立する．また，集積化デバイ
スの反応を効率的に制御する方法について検討を始める．

本年度の研究成果■萩谷昌己（東京大学・大学院情報理工学系研究科）
状態が分岐する分子機械の設計と実装
本年度は，昨年度に引き続き DNA のヘアピン構造の開裂を利用した状態機械の設計と実現を行った．以下は，オープナーによって左右の二つのヘアピンのうちの一方が開く分子機械である．オープ
ナーには左右のヘアピンに対応した二種類がある．一方のオープナーが左か右のヘアピンを開くと，もう一方のオープナーを与えてもハイブリダイズできない．すなわち，初期状態からオープナーによって二つの状態のどちらかに分岐する機械となっている．

Closed

Open2
Left

Open1
Left
Open2
Left

(mfe)

設計の基準

Open1
Left

・ maximize B・ minimize V

Branching Machine
Open1
Left

Open2
Left

実は，両方のオープナーを入れた場合，両方のヘアピンが開いた形態が最もエネルギーが低い状態（mfe すなわち minimum free energy の状態）になる．しかし，この状態に到達するにはエネルギーの障壁を乗り越えなければならないので，通常は片方のヘアピンが開いた状態に留まるわけである．従って，
この分子機械をロバストに動作させるためには，エネルギーの障壁がなるべく高くなるような分子設計（配列設計）を行わなければならない．そこで我々は，分子の形態のエネルギー地形，特に，ある形態
から別の形態に変化する際の形態変化経路を解析することにより，エネルギー障壁を求めたり，そのエ
ネルギー障壁が高くなるような配列を探索したりする技術の開発を行っている．
2 つの二次構造間にあるエネルギー障壁の高さは構造変化経路に依存する値だが，それは一意には決まらない．そこで本研究では，下記のような 3 種類に特徴的な構造変化経路を定義し，その定義に基づいた経路予測のアルゴリズムを解析し，実装した．

z

局所最適最短経路：最短経路のうち局所的なエネルギー増加が最小に保たれた経路．

z

大域最適最短経路：最短経路のうちエネルギーのピークが最も低い経路．

z

大域最適経路：あらゆる経路のうちエネルギーのピークが最も低い経路．

昨年度は，大域最適最短経路をヒューリスティクスによって近似的に求める効率のよいアルゴリズムの開発を行った．今年度は，大域最適経路を求めるアルゴリズムを考案し実装した（下左図）．
Minimum Basin Algorithm(最小流域アルゴリズム)
最小流域アルゴリズム)• ２点を含む最小の流域を求めるグラフ探索法。
• 始点から終点までのエネルギー地形(集合B)を、低い点を選択しながら探索・生成。(最小の流域
最小の流域)• Prim-Dijkstra法の一種。

最小流域法による経路

始点･終点は与えられている。
集合B、集合Nは空集合。(Basin,Neighbor)
始点を集合Bに加える。
集合Bに隣接する点を集合Nに加える。
集合Nの最も低いエネルギーの要素を集合Bに加える。
(複数ある時は全てBに加える)
6. Step4に戻る。Step5で、加える点が終点であったら終了。
1.
2.
3.
4.
5.

→ 出力は集合
集合B
B。その最大の要素が障壁になる。
→ 集合B
集合Bの解析が形態変化経路予測として有効。
の解析→ 障壁だけでなく経路についての議論ができる。

このアルゴリズムを用いることにより，実際の DNA 配列に対する実験結果をある程度説明することができた（上右図）．
Mitsuhiro Kubota, Kazumasa Ohtake, Ken Komiya, Kensaku Sakamoto and Masami Hagiya: Branching
DNA Machines Based on Transitions of Hairpin Structures, Proceedings of the 2003 Congress on

Evolutionary Computation (CEC'03), 2003, pp.2542-2548.
Hiroki Uejima and Masami Hagiya: Secondary Structure Design of Multi-state DNA Machines Based on
Sequential Structure Transitions, DNA9, Ninth International Meeting on DNA Based Computers,

Preliminary Proceedings, 2003, pp.80-91.
Hiroki Uejima and Masami Hagiya: Analyzing Secondary Structure Transition Paths of DNA/RNA
Molecules, 同上, pp.92-96.
Atsushi Kameda, Masahito Yamamoto, Hiroki uejima, Masami Hagiya, Kensaku Sakamoto and Azuma
Ohuchi, Conformational Addressing using the hairpin structure of single-strand DNA, 同 上 ,pp.197-201.
DNA Walker の構想
分子の形態変化と会合や局所的反応を組み合わせることにより，より複雑な分散計算やパターン形
成が可能になると考えられる．そのような考えに従って，分子間の局所的なインタラクション（近傍の分子とのみ可能な反応）と形態変化を利用した反応スキームとして，DNA Walker の検討を行った．以下の図は一次元の DNA Walker を示している．ニックが入った二本鎖から一本鎖突起が出ている．これに別の一本鎖が会合してブランチ・マイグレーションが起きることにより，新たな一本鎖突起が生じる．あたかも一本鎖突起が「歩いた」ようである．ブランチ・マイグレーションは形態変化の一種であるが，これが始まるためには，一本鎖が会合して近傍に来なければならない．
DNA Walker (under design)

1-Dimensional Walker

Branch migration is possible only when
the invaded and invading strands are adjacent

Branch Migration

Next Step

本年度は上述の一次元の DNA Walker の配列設計を行うとともに，二次元の DNA Walker の可能性についても検討を行った．来年度以降，実験を行う計画である．
DNA 計算ロボットの最適スケジューリング
ANP-96 (Algorithmic NA Processor)は DNA 計算の実験を自動的に行うロボットであり，与えられたプログラムに従って複数の実験操作を同時に実行することが可能である． DNA 計算の実験操作は種々の制約のもとで実行され時間もかかるので，複数の実験操作を自動的かつ効率的に実行することが重要である．
このロボットは，「入力」である複数の与えられた溶液から始まり，以下のような操作を繰り返し適用することで，新たな溶液(これも複数)を作り出す．この最終的な「出力」である溶液を調べることにり，実験が終了する．
(1) 特定の溶液を混合して，新しい溶液を作る(Mixing，懸濁)．
(2) 溶液から磁気ビーズという仕掛けにより，ある物質(溶液と考えてよい)を取り出すこと(Magtration，
磁性粒子分離)．
(3) 溶液を特定の温度にまで暖めること(Warming，温度制御)．
(4) 溶液を特定の温度で一定時間維持すること(Wait，維持)．
溶液は通常のプログラミング言語における「値」と考えることが出来る．この「値」を保持する「変数」に相当するものとして，プレートとチップがある．プレートは溶液を入れる器である(下図の穴のあいた板)．またチップとはガラス製の先(下)細りの管(下図の複数の管)であり，溶液を保持することが出来る．実際にはチップは複数の管からなり，チップラックというチップを納める複数の穴をもつ容器に置かれており，チップに対する操作はこのチップの 1 セットに対して同時に行われる．プレートも同様に，複数の管に対応する複数の穴からなり，この穴の各々に溶液が入る．

プレートとチップの個数には事実上制限はないが，ロボットは上記の操作を有限(8 個)の実験場所(テーブル)で行うようになっている．また上記の(3)が可能なテーブルは二つしかなく，さらに (1) や (2)を行うための IMU という装置は一つしかない．以下がロボット本体の主要モジュールである．
IMU (Integrated Magtration Unit，下左図の⑦のテーブルの上の装置)
ストッカ（下左図の Plate および Tip と書かれた装置）
ディスペンサ(下左図の Disp.)
ターンテーブル（下右図の丸いテーブル，下右図も参照）
ロボットアーム（下右図参照）

このロボットは，与えられたプログラムに従って複数の実験操作を並列に実行することができる．しかし，現在の ANP-96 のプログラミング環境は，実験に本質的ではない低レベルな記述を必要とするため多くの手間を必要とし，誤ったプログラムにはロボットを破壊する危険もある．特に，プログラマは有限のテーブルを無駄なく割り当てるとともに，温度制御等の時間のかかる命令を効率よくスケジューリン
グしなければならない．
我々は以上のようなプログラミングを自動化するために，テーブルのアロケーションと命令のスケジューリングを含む問題を，ANP-96 に依存しない一般的な抽象度で記述する枠組みを開発するとともに，その枠組みに基づく制御コード生成系を実装した．
特に，この枠組みでは，各操作におけるリソースの受け渡しに関する記述を簡潔に表現することができる．また，上述の問題に対する最適な解を与える手法として，コンパイラの分野で提案された整数線
形計画法による手法を利用した．この手法は処理時間が長く，したがって小規模のプログラムにしか適用できないのが欠点であるが，ANP-96 においては，一般にプログラムは比較的小規模であり，その実行回数とコストを考慮すると，時間をかけて最適化する価値があると考えられる．
阿部正佳, 萩谷昌己: 整数線形計画法を用いた DNA コンピュータ制御コードの生成, 情報処理学会論文誌プログラミング, 掲載予定, 2004.

■浅沼浩之（東京大学・先端科学技術研究センター）
分子マシンの光制御を目指した光機能性超分子の構築
DNA の二重鎖あるいは三重鎖の形成と解離が，特定波長の光照射のみで自在に制御できれば，分子マシンの光制御が期待できる．我々は DNA のダイナミックな形態変化を引き起こすことを目的とし，
前年度は光照射により構造異性化する有機分子＝アゾベンゼンを DNA に化学的に導入した化学修飾 DNA を合成した．本年度は，実際の分子マシンの光制御を可能にするための，光応答性 DNA オリ
ゴマー設計を行った．
アンチセンスDNAなど実際に用いられているDNAの鎖長は 20mer前後であり，この程度のDNAのハ
イブリダイゼーションを光制御できれば，実際の系への適用が可能になる．そこで 20merのDNAを高効率に光制御するための最適なアゾベンゼン残基導入数を調べた．導入するアゾベンゼン残基の数を 1
から 10 まで系統的に変化させたところ，アゾベンゼンがtrans-体の場合にはTmは残基の導入数に依存せずほぼ一定であったが，cis体では導入数の増加に伴い単調に低下した．trans-cis異性化に伴うTmの変化（ΔTm）は，天然の塩基２つに対してアゾベンゼンを１個の割合で等間隔に 9 個導入した場合に最大となった．この場合ハイブリダイゼーションの制御能は 37℃で最大 80％以上に達し，実質的に二重鎖の形成と解離のon-off制御を実現できた．
(1) Asanuma, H.; Matsunaga, D.; Liu, M.; Liang, X.; Zhao, J.; Komiyama, M.:“Photo-regulation of DNA function by azobenzene-tethered oligonucleotides”, Nucleic Acids

Res. Supple. 3, 2003, 117-118.
(2) Liu, M.; Asanuma, H.; Komiyama, M.: “Effective photo-regulation of transcription
reaction by SP6 RNA polymerase with modified DNA tethering multiple azobenzenes”,

Nucleic Acids Res. Supple. 3, 2003, 265-266.
(3) Liang, X.; Asanuma, H.; Kashida, H.; Takasu, A.; Sakamoto, T.; Kawai, G.; Komiyama,
M.: “NMR study on the Photo-responsive DNA Tethering an Azobenzene.

Assignment of

the Absolute Configuration of Two Diastereomers and Structure Determination of theirDuplexes in the trans-Form.”, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 16408-16415.
(4) Liu, M.; Tamaru, D.; Asanuma, H.; Komiyama, M.: “Synergistic Effect of the Two
Azobenzenes in the Promoter on the Photo-Regulation of Transcription Reaction with SP6
RNA Polymerase”, Chem. Lett. 2003, 32(12), 1174-1175.
(5) Asanuma, H.; Takarada, T.; Shirasuka, K. ;Komiyama, M.: “DNA-Dye conjugates forcontrollable H* aggregation”, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 2217-2223.
(6) Asanuma, H.; Kashida, H.; Komiyama, M.: “DNA-Naphthyl Red conjugate as avisualizing probe of DNA hybridization”, Chem. Commun., 2003, 1536-1537.
(7) Kashida, H.; Asanuma, H.; Komiyama, M.: “Development of a probe DNA whichaccompanies color change by hybridization”, Nucleic Acids Res. Supple. 3, 2003, 143-144.
(8) 浅沼浩之: “DNAの光機能化”, 高分子，2003, 52(3), 139.
(9) 浅沼浩之: “遺伝子発現の人工的制御”, バイオマテリアル-生体材料-, 2003, 21(4), 289-296.
(10) 浅沼浩之, 樫田啓: “光機能性DNAの設計と応用”, 高分子加工, 2004, 53(1), 37-43.
■村田智（東京工業大学・大学院総合理工学研究科）
DNA タイルを用いた自己集合モデルの誤り抑制に関する研究
DNA コンピューティングの分野において, Winfree は「DNA タイル」を用いた DNA 分子の会合による計算法を提案した. DNA タイルとは 4 カ所に粘着末端と呼ばれる一本鎖 DNA をもつ平面構造の分子である.この粘着末端の会合(ハイブリダイゼーション)により二次元的な反応が進む集合体を形成する
ことができる(図 1). DNA タイルの自己集合(self-assembly)は, 計算として利用できるほか, ナノ構造を形成するという面でも注目されている. しかし, 実際に形成される集合体は, 成長時に多くのエラーが発生してしまうので実用化には至っていない.
そこで, Winfree は自己集合の熱力学的なモデルを提案し, 自己集合プロセスの解析をおこなった.
このモデルのシミュレーションにより, 温度や DNA タイルの濃度などの物理的な条件を制御することで,エラーの少ない望みの集合体を成長させることができることを示したが, エラーを少なく制御しようとす
ればするほど, 集合体が正しく成長するのに多くの時間がかかってしまうという問題があった. これを改善したのが Winfree による Proofreading Tile Model (PTM)である. このモデルはタイルを分割することでエラー率と成長速度を改善させることに成功している. しかしタイルを分割すると, それに必要な粘着末端の数が増加し配列設計が難しくなってしまう.
本研究では, Winfree が提案した従来のモデルを拡張した Layered Tile Model (LTM)を提案する. このモデルは, 集合体を形成するタイル(original tile)と, そのタイルの粘着末端を保護するためのタイル(protective tile) を 重 ね る こ と で , タ イ ル の 状 態 変 化 を 可 能 と す る 構 造 と し た も の で あ る ( 図 2a).
protective tile を重ねたタイルが集合体に正しく結合した場合に限り, protective tile のみ外れるように粘着末端を設計することで, エラー率を大幅に下げることができる(図 2b). このモデルのシミュレーショ
ンおよび理論解析を行った結果, エラー率・成長速度において, LTM は PTM の 10 倍の性能をもつだ
けでなく, タイルの濃度や温度の変化に強いことがわかった. また, protective tile の導入により, 集合
体同士のランダムな凝集を抑制する働きがあることもわかった. ゆえに, これらの特長から, 高効率なモデルが実装可能であると期待される.
今後は, 本モデルを実装するために, 複層化タイルの配列設計および合成を検討する. さらに実験による評価も行う必要がある.

図 1: DNA タイルの自己集合. 粘着末端により, タイル同士を結合することができる.

図 2: (a) DNA タイルによる, original tile (黒色)と protective tile(赤色)を二層に重ねたときの構造. 各辺の粘着末端はそれぞれ異なる構造をもつ. (b) タイルの結合プロセス. 集合体に対して複層化されたタ
イルの 2 辺がマッチしたときのみ上層の protective tile が外れ, 次のタイルの結合を許可する.
■岩崎裕・吉信達夫（大阪大学・産業科学研究所）・西川明男（大阪電気通信大学）
原子間力顕微鏡を用いた生体分子微細パターン作製法の開発
固体表面における生体分子の微細パターン作製法1)としてマイクロコンタクトプリンティン
グ（µCP）2)やディップペンナノリソグラフィ（DPN）3)などが提案されているが，本研究ではAFM陽極酸化パターニングによる方法4)を開発している．図 1 に示すように，コンタクトモー
ドAFMにおいて試料表面と導電性探針の間に直流電圧を加えることによって，試料表面を陽極酸化することができる．この方法によって例えば図 2 に示すように，シリコン基板表面上に任意形状の酸化物パターンを描画することが可能である．
このようにして描画された酸化物パターンをテンプレートとして，生体分子を選択的に固定

することができる．酸化物上に生体分子を固定するポジプロセスと，その逆のネガプロセスが可能である．図 3 にポジプロセスの一例を示す．あらかじめシリコン表面をオクタデシルトリ
クロロシラン（OTS）で保護した後，AFM 陽極酸化によって酸化物パターンを描画する．リンカ分子としてγ-アミノプロピルトリエトキシシラン（γ-APTES）とグルタルアルデヒドを用いてアルデヒド基を導入し，最終的に酸化物パターン上にのみ生体分子を固定することができる．
図 4 はネガプロセスによってシリコン表面上の酸化物パターン以外の領域にフェリチン分子を固定した例である．フェリチンは直径約 12nm の球状たんぱく質分子である．AFM 陽極酸化を用いた場合，数 10nm レベルの解像度で描画が可能であり，図 5 のようにたんぱく質分子 2〜3 個分の幅のアレイが作製できる．
同じ方法は DNA 分子の微細パターン作製にも適用可能である．図 6，図 7 はそれぞれ酸化物ラインパターン，酸化物ドットパターン上にλファージ DNA を固定した例である．後者ではドット間をワイアリングする形で DNA 分子が固定されている．
今後，陽極酸化の解像度を高めることによって，究極的には 1 分子レベルの固定が可能になるものと期待され，例えば微細電極構造上への生体分子 1 個のアラインメントといった応用が考えられる．
（謝辞）実験にあたりアドバイス・ご援助をいただきました山下一郎先生，冬木隆先生に感謝いたします．
T. Yoshinobu, J. Suzuki, H. Kurooka, W. C. Moon and H. Iwasaki: "AFM Fabrication of Oxide
Patterns and Immobilization of Biomolecules on Si Surface", Electrochimica Acta, 48(2003) pp.3131-3135.
W. C. Moon, T. Yoshinobu, A. Nishikawa and H. Iwasaki: "Biomolecules Patterning on Si
Surface by AFM Oxidation", International Symposium on Scientific and Industrial
Nanotechnology 2003 (ISSIN-2003), Osaka, Japan, 8 - 9 December 2003.
W.C. Moon, A. Nishikawa, T. Yoshinobu and H. Iwasaki: "Patterned Surface as a Templatefor DNA-Based Nanotechnology", proc. 2003 Congress on Evolutionary Computation (CEC
2003), vol.4 pp.2727--2732,

Canberra, Australia, 8 - 12 December 2003.

参考文献
1) A. S. Blawas and W. M. Reichert, Biomaterials 19 (1998) pp.595–609.
2) A. Bernard et al., Adv. Mater., 2000 (2000) pp.1067–1070.
3) K.–B. Lee et al., Science, 295 (2002) pp.1702–1705.
4) T. Yoshinobu et al., Electrochimica Acta, 48 (2003) pp.3131–3135.

図1

AFM 陽極酸化の模式図

図3

図 2 シリコン基板表面に描画した酸化物ラインパターン(AFM像; 10×10µm2）

ポジプロセスのフローチャート

図 4 フェリチン分子のネガパターン(AFM像; 1×1µm2）

図6

酸化物ラインパターン上へのλファージDNAの固定(AFM像; 1.5×1.5µm2）

図5

図7

フェリチン分子の一次元アレイ

酸化物ドットパターン上へのλファージDNAの固定(AFM像; 3×3µm2）■陶山明（東京大学・大学院総合文化研究科）
・John A. Rose（東京大学・大学院情報理工学系
研究科）
ハイブリッド型 DNA コンピュータによる遺伝子解析
開発を行なってきたハイブリッド型 DNA コンピュータによる遺伝子解析の情報処理は，エンコードと DNA コンピューティングの大きく 2 つのステップに分けられる．エンコードのステッ
プでは，解析対象である入力情報がハイブリッド型 DNA コンピ ュータの内部コードを用いて符号化される．その後，符号化された情報はハイブリッド型 DNA コンピュータの分子計算部の CPUが備えている命令を用いた DNA コンピューティングにより解析される．エンコードのステップで用いられる分子反応は入力情報の形態により異なり，解析の具体的内容に大きく依存する．

それに対して，DNA コンピューティングのステップで用いられる分子反応は分子計算部の CPUの命令セットが同じである限り普遍で，解析内容には依存しない．解析内容により異なるのは，命令を実行する順番とデータの内容だけである．
今年度は，昨年度の研究で開発された内部コード配列を使用したハイブリッド型 DNA コンピ
ュータを用いて遺伝子発現解析のための DNA 分子反応を行い，エンコードのステップにおける分子反応の設計と評価，DNA コンピューティングのステップにおける分子反応と内部コード配列の特性の評価を行った．遺伝子発現解析は発現された遺伝子の転写産物量を定量してその頻度分布を調べる解析で，ゲノム情報に基づく遺伝子の機能解析や病気の診断，システムバイオ
ロジーなどを支える重要な解析のひとつである．
遺伝子発現解析におけるエンコードのステップでは，遺伝子の転写産物量の分布を，対応する内部コード DNA 分子の量の分布に特異的かつ定量的に変換することが必要とされる．そこで，マウス及び酵母の約 100 個の遺伝子を用いて，エンコード反応の特異性と定量性の評価を行なった．特異性は，遺伝子同定配列をもつプライマーによる PCR 及び遺伝子同定配列の単一入力に対するエンコード反応の実験により評価した．PCR の実験では正しい長さの増幅産物のみが得られ，単一入力実験では対応する内部コードへの変換のみが観測された．これらのことから，
エンコードのステップの特異性が確認された．定量性は，エンコードの際のライゲーション反応の効率が入力分子の配列と濃度に対してどのように依存性するかを調べることにより評価した．反応時間が短い場合，Tm が一様かつ自己 2 次構造を形成し難い配列であっても，反応効率
は配列に対する依存性を示したが，十分な反応時間後にはいずれの配列もほぼ 100％のライゲーション反応効率で内部コードに変換された．変換テーブルを表現する DNA 分子が大過剰の条件で反応が行なわれているので，入力分子はほぼすべて内部コードに変換され，入力分子の濃度に対応した濃度の内部コードが生成された．これらのことから，ライゲーション反応が十分に進行する条件では定量的なエンコードを行なうことができることが確認された．
遺伝子発現解析における DNA コンピューティングのステップでは，まず感度を上げるために
エンコードのステップで生成された内部コード DNA 分子の増幅が行なわれ，その後に情報解析に必要な様々な計算反応が実行される．最も簡単な解析は発現頻度分布の解析で，その場合は単に内部コードをデコードして遺伝子の同定と定量を行なう計算反応だけが実行される．遺伝
子の発現パターンの判定など，より複雑な情報解析を行なう場合であっても，発現頻度分布の解析のための計算反応が基本になっているので，そのための反応である内部コードの増幅とデコード反応の特異性及び定量性の評価を行なった．評価実験は，実験誤差の範囲内で増幅効率が一様であることが昨年度の研究で確認されている約 100 種類の内部コード DNA 分子を用いて行なった．単一の内部コード DNA 分子を用いたとき，増幅及びデコード反応の結果が対応する
単一のコードになったことから，これらの反応の特異性が確認された．定量性は，濃度既知の複数の内部コード DNA 分子の混合物を増幅，デコードして定量することにより調べた．その結果，最初の量と増幅，デコード後の定量値との関係が内部コードにより異なること，両者の関係が比較的揃った 3 つのグループに分かれること，両者の関係のバラツキが増幅効率とデコー
ドのライゲーション反応効率のバラツキに起因していることなどがわかった．この内部コード
ごとの関係は独立した実験を繰り返しても再現性があり，同一の内部コードを使用する限り，補正により定量性の高い結果を得ることができることがわかり，増幅及びデコード反応の定量性が確認された．
以上のように，今年度の研究の結果，ハイブリッド型 DNA コンピュータを用いて特異性及び定量性の高い遺伝子発現解析を行なうことができることが確認された．しかし，DNA コンピューティングに使用している内部コードの特性について，依然として解決すべき問題点があることも判明した．内部コードを構成する正規直交配列は，平衡状態における熱力学的安定性に関する尺度を基にして設計されている．しかし，実際には，ハイブリッドの形成反応速度やライ
ゲーション反応速度の一様性，PCR による増幅効率の一様性も，データの内容に依らない一様な計算，定量性の高い計算を実現するためには必要である．残念ながら，現時点では，これらの性質と DNA の配列との関係が明らかになっていないために，正規直交配列を設計する際に考慮することができていない．今年度の研究の結果は，これらの性質と DNA の配列との関係の手懸りを与えるものである．今後，より多くの正規直交配列と内部コードについてこれらの性質を調べることにより，ハイブリッドの形成反応速度，ライゲーション反応速度，PCR による増幅効率と DNA の配列との関係が明らかにできると考えられる．これらの速度論的な性質の正規性は，ハイブリッド型 DNA コンピュータにおいても欠かせないものであるが，レトロウイルスを模した自律的 DNA コンピュータなどのように，一定温度の下，同一の反応空間で多数の計算のための分子反応が並行して進行する，より多重性の高い分子コンピューティングを実現する
上では極めて重要であると言える．
N. Nitta and A. Suyama, Autonomous biomolecular computer modeled after retroviralreprication, Proc. of DNA9, 180-189 (2003).
Y. Ogura, T. Kawakami, F. Sumiyama, A. Suyama, and J. Tanida: Parallel translation of
DNA clusters by VCSEL array trapping and temperature control with laser illumination,

Proc. of DNA9, 19-27 (2003).
陶山明: DNA コンピュータとその応用, ゲノム医学, 3 (2), 223-228 (2003).
陶山明: DNA コンピュータ, 薄膜・表面物理セミナー「有機分子ナノテクノロジー」AP032326,
pp.53-58, 応用物理学会 (2003).
タグとアンチタグのシステムの忠実度
TAT システム（タグとアンチタグのシステム）のエラーを見積もるために，一般的な条件のもとで，一入

力に対する平衡論的な解析を行った．すなわち，入力が希釈されていない場合のエラーが最小になる
温度は，期待される二本鎖の融解温度と期待されない二本鎖の融解温度の間に位置することが分かった．これは従来の stringency と呼ばれる条件と合致している．一方，入力が希釈されている場合，エラーの極小値は存在せず，stringency が当てはまらない．さらに，以上の解析に基づいて，高い忠実度を持つ TAT システムを，遺伝的アルゴリズムを用いて求めた．
John A. Rose and Masami Hagiya and Akira Suyama: The Fidelity of the Tag-Antitag System 2:
Reconciliation with the Stringency Picture, Proceedings of the 2003 Congress on Evolutionary

Computation (CEC'03), 2003, pp.2740-2747.
J. A. Rose, M. Takano, M. Hagiya, and A. Suyama: A DNA-computing-based genetic programfor in vitro protein evolution via constrained pseudomodule shuffling, Genetic

Programming and Evolvable Machines 4, 139-152 (2003).
J. A. Rose, M. Takano, and A. Suyama: A PNA-mediated whiplash PCR-based program for invitro protein evolution, LNCS, 2568, 47-60 (2003).
■藤井輝夫・山本貴富喜（東京大学・生産技術研究所）
マイクロチップのための微量液体制御機構の開発
マイクロチップ上での分子計算実現に向けての基盤技術となる，微量液体制御機構の開発にあたった．シリコンゴム製マイクロチップ上の疎水性ベントバルブを用いた微量液体制御をキ
ャピラリ電気泳動に必要な液体操作に応用することで，微量試料プラグ(約 300 pL)の生成から，分離マトリックスとの合一，泳動分離までの操作を 3 分程度で実現することに成功した(図 1 参照)．また，マイクロチップの分子計算への具体的な応用事例として，DNA と PNA (Peptide
Nucleic Acid)からなる，分子メモリの書き込み・読み出し操作用マイクロチップを試作した (図2 参照)．チップでは，書き込み操作にあたる DNA-PNA 結合反応，読み出し操作にあたる制限
酵素反応および泳動分離を，電気浸透流・電気泳動といった電気制御による流体操作で行なうことで，書き込み・読み出し操作の自動化を実現した．3 塩基 PNA，φX-174 ファージ DNA，
制限酵素として Hae III を用いた評価実験では，5 分以内に全操作を完了できることを確認した．これは，従来のマイクロチューブとゲル電気泳動を用いた場合に比べて操作時間を 20 分の 1 程度に短縮できたことになる．今後は，分子メモリを用いたアクエアスアルゴリズムのチップ上での実現へ向けて研究を進める予定である．

図１．マイクロチップ上の微量液体制御機構によるキャピラリ電気泳動操作

図 2．分子メモリ書き込み・読み出し用マイクロチップ[1] S. Kaneda and T. Fujii; “Combining Droplet-Based Liquid Handling and On-Chip Capillary
Electrophoresis With a New Sample Injection Method”, Proc. mTAS 2003, pp. 1279-1282, October,(2003), Squaw Valley, California, USA.
[2] 金田 祥平，藤井 輝夫；"マイクロ生化学システムにおける表面技術"，表面技術，54，pp.319-314，(2003)．
[3] S. Kaneda, K. Ono, T. Yamamoto and T. Fujii; "Small Volume Droplet-Based Liquid Handling
Device for DNA Identification and Quantification by Electrophoretic Separation", Proc Nanotech 2003,(2003), Montreux, Lausanne, Switzerland.
[4] 金田 祥平，小野 航一，藤井 輝夫；”マイクロ生化学システムの新展開”，第 9 回創発システム・シ
ンポジウム資料，（2003）.