トピックス

COVER STORY: Topics and Products

特集 Le Polymère – 考える高分子

ナノポア計測によるDNA演算情報の復号化
滝口創太郎

川野竜司

東京農工大学工学府生命工学専攻［184-8588］小金井市中町 2-24-16
博士後期課程在学中．

東京農工大学工学研究院生命機能科学部門
同左教授，博士（工学）．
専門はマイクロ分析化学．
rjkawano@cc.tuat.ac.jp
http://web.tuat.ac.jp/~rjkawano/s-takiguchi@st.go.tuat.ac.jp

下で電気泳動により分子がナノポアの中を通過すると、その間はイオンの流れが阻害されるため、一分子の通DNA コンピューティング（DNA 分子による演算）に過を電流阻害シグナルとして観測できる。α-hemolysin1）
おいて、入出力の情報媒体は DNA 分子である 。これ （αHL）という黄色ブドウ球菌由来のナノポアタンパク
により入力情報を DNA 塩基配列として自由に設計でき
質は、直径が 1.4 nm と一本鎖 DNA（直径約 1 nm）の計る一方で、DNA 分子に符号化された出力情報は人間の測に適していることから、一分子 DNA シーケンスを目目に見える形に変換して解読する必要がある。この復的として膨大な研究が行われてきた 2）。実際にナノポ号化ステップには、これまで PCR などによる核酸増幅、 ア DNA シーケンサーは αHL とは 異 なる ナノポア で 実電気泳動や蛍光ラベルを用いた核酸検出が用いられて装され、2015 年に市販化されている。このようにナノきた。これらの操作は時間と手間がかかる上に、出力ポア計測では DNA を一分子レベルで電気的に計測でき、分子やその情報を次の入力として扱いづらいという課原理的にはその配列もリアルタイムで読むことができる。
題があった。本稿では、最近筆者らが取り組んでいるナノポア計測を用いた DNA 演算情報の復号化と病理診
3．ナノポア計測による復号化と応用断への応用について概説する。

1．はじめに

3.1 情報科学的 DNA 演算の復号化

2．ナノポア計測
ナノポア計測は、細胞をカウントするコールターカウンター法をナノスケールに拡張させたものだと考えることができる。ここで用いるナノサイズの細孔（ナノポア）には、ポア形成膜タンパク質を利用する生体ナノポアと、ナノ微細加工により人工的に作製する固体ナノポアがある。生体ナノポア計測では、脂質二分子膜中にナノポアタンパク質を再構成し、膜の両側に電圧を印加する。これによりポアを通過するイオンの流れをイオン電流として計測できる（図 1a）。印加電圧

図 1 （a）ナノポア計測の原理．（b，c）出力 0，1 の核酸構
造と電流阻害シグナル．（d）ナノポア計測デバイス．

高分子

71 巻

10 月号 （2022 年）

筆者らはこれまでに二つの液滴の接触界面に安定的な脂質二分子膜を形成させ、そこでナノポア計測を行うマイクロデバイスを提案してきた（図 1d）。これを利用し、この液滴中で DNA 演算を行い、その出力情報を液滴界面に再構成したナノポアで計測する復号化シス
テムを紹介する。はじめに入出力の情報を“1”，“0”で扱う DNA 分子による NAND 演算の実装とナノポア計測による復号化を試みた 3）。出力 DNA がポアを通過可能な一本鎖もしくはポアに詰まる二本鎖を形成するよう、入力 DNA を配列設計した。これにより、ナノポア計測で得られる瞬時の電流阻害から出力“1”，“0”を容易に見分け（図 1b，c）、演算から復号化までを約 10 分で実装した。次に、より高度な情報処理として酵素反応を組み込んだ AND 演算の実装と復号化に取り組んだ 3）。出力“1”として転写反応により一本鎖 RNA が増幅される分子反応系を設計することで、RNA が示す電流阻害シグナルの頻度から出力“1”の検出を可能にし、約 1 時間での情報処理に成功した。DNA 演算は、上述のように単純な“1”，“0”の演算に加えて、さらに複雑な情報処理ができる。そこで DNA 演算のパイオニア的研究である並列計算に関してナノポア計測による復号化に取り組んだ。
実際には 1994 年に Adleman が報告したハミルトン閉路問題を計算する DNA 演算（巡回セールスマン問題の©2022 The Society of Polymer Science, Japan1

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図2トピックスハミルトン閉路問題に対する DNA 並列計算とナノポア計測による出力情報の復号化

ように各都市を一筆書きで巡回できる経路を探索する組み合わせ最適化計算）の復号化を目指した 4）。ここでは、
出力 DNA が図 2 に示す特殊な二本鎖構造をとるように計算用 DNA を配列設計した。この出力 DNA は、結合した相補鎖を乖離しながらゆっくりとナノポアを通過するため、その阻害時間を統計解析することで出力情報を復号化することに成功した。以上より、ナノポア計測による復号化システムの利点として、DNA の配列設計次第で多岐にわたる出力情報を復号化できる点、演算直後に迅速復号化できる点が挙げられる。また DNA
演算情報を電気信号に変換するため、従来の半導体型コンピューターとの組み合わせが期待できる。

3.2 病理診断への応用

DNA 演算は並列計算や論理演算といった情報科学的な研究に加えて、DNA 分子の生体親和性を利用した病理診断への応用が期待されている。ここでは最近筆者らのグループが取り組んでいる、DNA 演算とナノポア計測の組み合わせを液体生検（リキッドバイオプシー）に応用する研究を紹介する。標的としているmicroRNA（miRNA）は短鎖（18～25 nt）ノンコーディ
ング RNA で、がんの早期診断マーカーとして注目されている。腫瘍細胞からがん種特異的な配列の miRNA が分泌され、体液中で複数種類 miRNA の発現量が上昇・低下といった複雑なパターンを示す。筆者らは DNA 演算がこの 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がんに関して検討した 5）。 標 的 miRNA を AND 演 算 における 入 力 分 子 として 利 用 し、 ナノポア 計 測 により 出 力 情 報 を 復 号 化する診断システムを構築した。ここでは 2 種類の標的miRNA が 存 在 する 場 合 のみ 4-way junction（4WJ）構
造 を 形 成 するように 診 断（ 計 算 ）用 DNA を 設 計 した
（ 図 3）。 どちらの miRNA も 存 在 しない 場 合、 どちらか一方しか存在しない場合には 4WJ のような高次構造を形成しないため、核酸分子はナノポアを高速に通過し、瞬時の電流阻害シグナルが得られる。一方、2 種類の miRNA が同時に存在する場合、4WJ はナノポアを2©2022 The Society of Polymer Science, Japan

図3

診断用 DNA と標的 miRNA による AND 論理演算を用いた miRNA パターン認識と復号化

通過できずに時間の長い電流阻害シグナルを示す。これにより miRNA の濃度が低い健康状態と、がんに罹患し miRNA の発現量が上昇した状態を区別できた。さらに複雑な miRNA 発現パターンを認識できるか確かめる
ため、5 種類の miRNA が発現上昇する胆管がんに関して検討した 6）。五つの miRNA 結合サイトを有する診断用 DNA を設計した。これにより診断用 DNA に結合する miRNA のパターンがシグナルの阻害時間として出力され、実際に実検体を用いて健常患者とがん患者を識別できた。以上のように DNA のプログラマブルな配列設計を活かして出力分子に任意の構造を形成させることで、ナノポア計測により複雑な情報を復号化できる。
また pM オーダーの低濃度核酸を検出可能なナノポア計測は、簡易診断ツールとしての実用化が期待できる。

4．おわりに
本稿ではナノポア計測の原理から、DNA 演算情報の復号化への応用、そして病理診断への応用に関して概説した。DNA 分子をラベルフリーに検出し、DNA演算情報を電気信号へと変換可能なナノポア計測は、DNA 分子と従来型の電気デバイスの橋渡しになると期待できる。さらに DNA 演算と組み合わせることで、次世代のリキッドバイオプシーにおける強力な病理診断ツールの一つになる可能性が高い。また欧米や中国ではナノポア計測に関する研究が盛んに行われ、急速に技術が発展してきているが、日本ではまだ研究者の数が少ない。今後日本でもナノポア関連研究が発展することを期待したい。
文献

1）L. M. Adleman, Science, 226, 1021（1994）
2）J. J. Kasianowics, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 13770（1997）
3）R. Kawano, Biotechnol. J., 13, 1800091（2018）4）S. Takiguchi and R. Kawano, Nanoscale, 13, 6192（2021）
5）M. Hiratani and R. Kawano, Anal. Chem., 90, 8531（2018）6）N. Takeuchi, M. Hiratani, and R. Kawano, ChemRxiv（2021）

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Digest for English ReadersNanopore Decoding for DNA Computing and Its
Development for Diagnostic Applications

0Sotaro TAKIGUCHITokyo University of Agriculture and Technology
Students-takiguchi@st.go.tuat.ac.jp

Ryuji KAWANO

Doctor of Engineering
Tokyo University of Agriculture and Technology
Professor
rjkawano@cc.tuat.ac.jp
http://web.tuat.ac.jp/~rjkawano/index_en.html

DNA computing has attracted attention as a tool for
implementing various mathematical models. However,decoding the output information to a human-recognizablesignal generally requires time-consuming processes or
fluorescence detection. To employ rapid and label-free
decoding, nanopore technology, an emerging tool forsingle-molecule sensing, is proposed as a promising
candidate for the electrical decoding of DNA computations.
Nanopores can recognize and identify the individual
molecules as an ionic current blockage, leading us to takeadvantage of the sequence-programmability of DNA.
We here briefly review our recent results of nanopore
decoding for mathematical DNA computing. In addition
to such mathematical applications, DNA computing isexpanding the research field to diagnostic applications
due to the biocompatibility of DNA. As a real-life
application of our proposed method, we here introduceour recent work on nanopore-based microRNA detection
and DNA computing-assisted pattern recognition forcancer diagnosis. We believe that nanopore technology
paves the way for the social implementation of DNA
computing/storage technology.
Keywords: Nanopore / DNA / Computing / Decoding /MicroRNA / Pattern Recognition / Diagnosis /Liquid Diopsy / Microfluidics

2©2022 The Society of Polymer Science, Japan

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