無配線バイオコンピューティングシステムに関する基礎研究

无线生物计算系统的基础研究

• 批准号: 05858042
• 负责人: 青木 孝文
• 金额: $ 0.7万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1993
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1993 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-05858042/
• 关键词: バイオコンピュータ; 分子コンピュータ; バイオ情報処理; 生体情報処理; バイオ素子; 分子素子; 集合論理

本研究では、無配線コンピューティングのためのバイオ素子に関する基礎実験ならびに性能評価を行った。1.バイオ素子の機能は、溶液中の基質分子を識別する「並列選択機能」と分子情報を放出する「並列出力機能」に分けられる。まず、並列選択機能にかんしては、複数の酵素を表面に固定化した多酵素センサが要求される。本研究では、グルコース酸化酵素、ガラクトース酸化酵素およびアルコール酸化酵素をアルブミンとともに固定化した3酵素センサの試作に成功した。またその過程で、多酵素センサ自体が、溶液中の基質濃度ベクトルに対する重み付き線形加算特性を容易に実現できることが明かになった。今後は、このようなアナログ動作および分子の拡散・反応過程を反映したバイオ素子のモデル化が重要であると思われる。2.一方、並列出力機能に関しては、電気信号により酵素反応の活性を調節し、目的とする物質の生成を制御することが必要になる。当初、このためには、酵素を固定化した特殊な導電性高分子膜が必要であると考ていた。しかしながら、酵素や過酸化水素などが第2の基質として関与する酵素反応系では、この第2の基質の濃度を通常の電極反応を利用して調節することにより、等価的に酵素反応を制御できることが判明した。このためグルコース酸化酵素を固定可した白金電極の系について、実験システムを構成し、予備実験を完了した。3.上記の並列選択・出力機能を結合して、バイオ素子を構成した場合の動作を計算機上で模擬し、速度評価を行った。この結果、10mum程度に集積化されたバイオ素子によるリング・オシレータは、約30msの周期で発振することが明らかになった。今後は、配線によらない超並列演算が、全体のアーキテクチャに対してどの程度の効果を有するかということについて、定量的に評価していく必要があると考えられる。

在这项研究中，进行了无线计算生物元素的基本实验和绩效评估。 1。生物元素的功能可以分为“平行选择函数”，该功能识别溶液中的底物分子和“平行输出函数”，以释放分子信息。首先，关于平行选择函数，需要将多种酶固定在表面上的多酶传感器。在这项研究中，我们成功地创建了三个酶传感器的原型，其中葡萄糖氧化酶，半乳糖氧化酶和酒精氧化酶与白蛋白一起固定。在此过程中，已经揭示了多酶传感器本身可以轻松地实现溶液中底物浓度向量的加权线性添加特性。将来可能很重要的是，建模反映模拟操作以及分子的扩散和反应过程的生物元素很重要。 2。另一方面，关于并行输出函数，有必要通过使用电信号控制目标物质的产生来调节酶反应的活性。最初，人们认为，将需要一种具有固定酶的特殊导电聚合物膜。然而，在酶反应系统中，酶，过氧化氢等作为第二底物涉及，已经发现，通过使用正常电极反应调整第二底物的浓度，可以等效地控制酶反应。因此，为已用葡萄糖氧化酶固定的铂电极系统构建了实验系统，并完成了初步实验。 3。当将上述并行选择和输出函数组合以形成生物元素时，生物元素的操作在计算机上模拟，并进行了速度评估。结果，发现在大约10MUM振荡的生物元素制成的环振荡器发生在约30ms的周期。人们认为，将来有必要定量评估未连接在整体体系结构上具有大量平行操作的程度。

项目成果

T.Aoki: "Dreams for new-divice-based superchips-From transistor to enzymes-" Proc.of the 23rd IEEE Int'l Symp.on Multiple-Valued Logic. 140-149 (1993)

T.Aoki：“基于新型器件的超级芯片的梦想 - 从晶体管到酶 -”第 23 届 IEEE 国际多值逻辑研讨会论文集。

T.Aoki: "Biocomputing system with no wiring" Proc.of the 1993 Int'l Symp.on Nonlinear Theory and Its Applications. 1. 211-216 (1993)

T.Aoki：“无布线的生物计算系统”1993 年国际研讨会非线性理论及其应用程序。