分子計算系の進化的計算手法を用いた設計に関する研究

利用进化计算方法设计分子计算系统的研究

• 批准号: 11J09247
• 负责人: 川又 生吹
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2011
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2011 至 2013
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J09247/
• 关键词: 分子ロボティクス; 自動設計; DNAハイドロゲル; ゲルゾル相転移; 分子計算; グラフ抽象化; シミュレーション効率化; RNAi; ハイドロゲル; 分子計算系; DNAオートマトン; RNA interference

本研究の目的である分子計算系として, 当初はすべてのDNAが一様に混ざっている均質系のみを対象にしていた. しかし均質系ではDNAを使った化学反応の時間発展を設計することはできるが, 空間的なパターンを持たせることは難しい. そこで当該年度では, 均質系に比べてより複雑な拡散反応系についての調査および予備実験を行った. 具体的にはDNA架橋したポリアクリルアミドゲルを設計し, DNAのハイブリダイゼーション反応によって相転移を行う実験を行った. またゲルとゾルの区別を行う観察方法として, 蛍光マイクロビーズのブラウン運動を評価する手法を用いた. 予備実験の成果として, 人手によって設計された化学反応による架橋点の作成または分解を行い, 時空間的なゾル化や, 時間的なゲル化を行うことに成功した.研究の目的の一つとして複雑な系の設計を挙げたが, DNA化学反応により時空間発展を行う系は, そのような設計の対象になると考えられる. また当初は人工遺伝子回路の自動設計を行う計画であったが, 文献調査の結果, 着眼点は異なるものの先行研究と呼べる研究がすでに存在することが分かった. 一方で, DNA化学反応を使った時空間的に発展する拡散反応系の自動設計は新規性のある分野だと言える. シミュレータの作成や系の自動設計を行うには至らなかったが, 新規性のある複雑な系を提案するという成果を得られた. この成果はCBI学会での「Excellent Poster Award」の受賞, FNANOと呼ばれる国際会議での口頭発表に採択されるなどの評価を得た.今後はこれまでに作成した均質系の数理モデルを基に拡散反応系のシミュレータを作成し, DNA化学反応によって駆動する反応場の自動設計へと, 本提案手法が応用できると考えられる. 将来的にはDNA化学反応による時空間的なパターン形成や物質輸送, ゲルを使った流体デバイスのフロー制御, ゲルゾル相転移による薬剤の放出などの応用に貢献できると期待される.

最初仅针对所有DNA均匀混合的分子计算系统。但是，在同质系统中，可以使用DNA设计化学反应的时间演变，但是很难具有空间模式。因此，在今年，我们对比同质系统更复杂的扩散反应进行了研究和初步实验。具体而言，我们设计了通过DNA杂交反应交联的聚丙烯酰胺凝胶并进行了相变。此外，我们使用了一种评估荧光微粒的布朗运动的方法作为区分凝胶和溶胶的观察方法。由于初步实验，我们通过手工设计的化学反应创建或分解了交联点，并成功地执行了空间和时间溶解以及时间凝胶。研究的目的之一是设计复杂的系统。人们认为，通过DNA化学反应进行时空发育的系统将成为此类设计的主题。最初，该计划是自动设计人造基因回路，但文献调查表明，尽管重点是不同的，但已经可以称为事先研究的研究。另一方面，使用DNA化学反应发展时空发展的扩散反应系统的自动设计是一个新的领域。尽管无法创建模拟器或自动设计系统，但它是通过提出新颖性的复杂系统来实现的。该结果获得了CBI协会的出色海报奖，并在一次名为FNANO的国际会议上被选为口头介绍。将来，将基于到目前为止创建的均匀系统的数学模型以及由DNA化学反应驱动的反应场的自动设计。预计可以应用此提出的方法。将来，预计它将有助于诸如时空模式形成和通过DNA化学反应的材料运输，使用凝胶对流体设备的流动控制以及由于凝胶溶胶相变过渡而释放的药物。

项目成果

Abstraction of Graph-Based Models of Bio-molecular Reaction Systems for Efficient Simulation

• DOI: 10.1007/978-3-642-33636-2_12
• 发表时间: 2012-10
• 作者: I. Kawamata;Nathanael Aubert;M. Hamano;M. Hagiya

straction of DNA Graph Structures for Efficient Enumeration and Simulation

用于高效枚举和模拟的 DNA 图结构提取

• 发表时间: 2011
• 作者: Ibuki Kawamata;Nathanael Aubert;Masahiro Hamano;Masami Hagiya;川又生吹;Ibuki Kawamata;川又 生吹;Ibuki Kawamata;Ibuki Kawamata;Ibuki Kawamata;Ibuki Kawamata;Ibuki Kawamata
• 通讯作者: Ibuki Kawamata

分子反応系の自動設計およびDNAのモデリング

分子反应系统自动设计和DNA建模

• 发表时间: 2011
• 作者: Ibuki Kawamata;Nathanael Aubert;Masahiro Hamano;Masami Hagiya;川又生吹;Ibuki Kawamata;川又 生吹;Ibuki Kawamata;Ibuki Kawamata;Ibuki Kawamata;Ibuki Kawamata;Ibuki Kawamata;川又生吹
• 通讯作者: 川又生吹

Experimental Validation of Automatically Designed DNA Automaton

自动设计的 DNA 自动机的实验验证

• 发表时间: 2011
• 作者: Yasuo Tabei;Yoshimasa Takabatake;Hiroshi Sakamoto;Ibuki Kawamata and M a sa mi H ag i ya
• 通讯作者: Ibuki Kawamata and M a sa mi H ag i ya

Analyzing Computational Complexity of RNA Interference by Abstraction

通过抽象分析 RNA 干扰的计算复杂性

• 发表时间: 2012
• 作者: Ibuki Kawamata;Nathanael Aubert;Masahiro Hamano;Masami Hagiya;川又生吹;Ibuki Kawamata;川又 生吹;Ibuki Kawamata;Ibuki Kawamata;Ibuki Kawamata
• 通讯作者: Ibuki Kawamata