Transcript 分子計算プロジェクト
分子計算プロジェクト 分子コンピュータのための基本演算と実現技術 ☆萩谷昌己 東京大学大学院理学系研究科教授 横山茂之 東京大学大学院理学系研究科教授 陶山明 東京大学大学院総合文化研究科助教授 横森貴 早稲田大学教育学部教授 計算論的枠組み 分子コンピュータの形式言語理論 横森貴 早稲田大学教育学部教授 要素素子の探索・進化的計算 分子進化工学 伏見譲 埼玉大学工学部教授 横山茂之 東京大学大学院教授 分子計算とは 分子に計算をさせる理論と技術 ○ 分子反応による超並列計算 Adleman （Science，１９９４） ---DNA分子を用いてハミルトン経路問題を解く 1. 解の候補をDNA分子に符号化し、分子反応による解の候補の生成 2. 実験操作による真の解の抽出および解読 ○ 計算する分子反応による新しい展開 Seeman-WinfreeによるDNAタイリング DNA計算＋DNAチップ --- 本プロジェクトの陶山 → 遺伝子解析・ナノテクノロジー 学振未来開拓「分子コンピュータの理論と構築」 Adlemanによる先駆的な研究 → 分子コンピュータの基本演算を中心とした研究 「計算」という側面から分子反応を解析する重要性を深く認識 分子計算は、DNA、RNA、タンパク質などの組み合せ的な複雑さを有する 生体分子が持つ計算能力を解明し、その計算能力を引き出す反応系を設 計する方法を確立することを目指す研究分野である。 （ｃｆ．生体分子を用いた技術のための基礎研究という側面） 研究成果は、組み合せ的な複雑度を有する生体分子に対して、幅広く応用 することができるはずである。 ※ この分野の先駆者Adlemanは、DNA計算の超並列性による計算の能力で計算 機に勝るという目標を提示して研究分野を開拓したが、これが容易に達成できない ために、この研究分野に対して不信感を招いてしまった。 現在までの主要な成果（１） 環状DNA分子を巧みに利用する 方式を提案し、これを利用すると 理論的に計算能力が万能で あることを示した。（横森） Title : c ircsplic Creato r: Tgif- 2.16 -p3 by William Chia-Wei Ch e ng ([email protected] ) Preview: この EPS 形式のﾌｧ ｲﾙは、 ﾌﾟﾚﾋ ﾞｭ ｰ付きで保存されていません。 Commen t: この EPS 形式の図は Po stSc ript ﾌﾟﾘ ﾝﾀでのみ 印刷できま す。 組み合せ最適化問題に対して、固相へのDNA 固定技術とバルジループ形成を利用してハミル トン経路を段階的に構成する進化型分子計算機 の構成要素を試作した。（陶山） Title : su yama2.e ps Creato r: Pho tosho p Ve rsio n 2.0 .1 Preview: この EPS 形式のﾌｧ ｲﾙは、 ﾌﾟﾚﾋﾞｭ ｰ付きで保存されていません。 Commen t: この EPS 形式の図は Po stSc ript ﾌﾟﾘ ﾝﾀでのみ 印刷できます。 現在までの主要な成果（２） DNAの２次構造を活用して状態 機械における状態遷移を実現し た。（萩谷、横山） Title : tips- transitio n Creato r: Tgif- 2.16 J- p1 2 by William Chia-Wei Ch en g ([email protected] CLA.e du ) Preview: この EPS 形式のﾌｧ ｲﾙは、 ﾌﾟﾚﾋﾞｭ ｰ付きで保存されていません。 Commen t: この EPS 形式の図は Po stSc ript ﾌﾟﾘ ﾝﾀでのみ 印刷できま す。 進化分子工学の技術（３SR法）を応用して 要素反応素子を進化的探索を行った。（伏見） Title : 3 sr Creato r: Tgif- 2.16 J- p1 2 by William Chia-We i Che ng (w illiam@c s.U CLA.edu) Preview : この EPS 形式のﾌｧ ｲﾙは、 ﾌﾟﾚﾋ ﾞｭ ｰ付きで保存されていません。 Commen t: この EPS 形式の図は Po stSc ript ﾌﾟﾘ ﾝﾀでのみ 印刷できま す。 ３SR法進化リアクターによる継代植え継ぎ実験に おいてCATCH機構の自律的進化を発見。（伏見） Cf.CATCH機構とは分子の増幅機構の１つ であり、継代植え継ぎ実験は３SR法による 自律的分子選択のパイプライン処理的な反 応装置を模擬しようとした実験だったが、生 き残った反応機構がCATCHであった。 Title : 3 sr- se rial Creato r: Tgif- 2.16 J- p1 2 by William Chia- We i Che ng (william@c s.UCLA.ed u) Preview: この EPS 形式のﾌｧ ｲﾙは、 ﾌﾟﾚﾋﾞｭ ｰ付きで保存されていません。 Commen t: この EPS 形式の図は Po stSc rip t ﾌﾟﾘ ﾝﾀでのみ 印刷できます。 本プロジェクトの研究の位置付け等 分子生命情報として位置付け ソフトウェア ハードウェア 分析的アプローチ ゲノム情報 数理生物 分子生物学 構成的アプローチ 進化的計算 人工生命 分子計算 分子進化工学 世界的な動向 米国ーDARPAによる生体分子計算 コンソーシアム 欧州ーＬｅｉｄｅｎ大学を中心とした新分 野形成の動き→natural computing 世界的に評価されている研究成果 •横森による分子計算に対する形式言語理論 •陶山によるハミルトン経路の段階的生成 •萩谷と横山によるDNA分子を用いた状態機械の実現 •伏見による３SR法の解析とCATCHの自律的進化の発見 学振未来開拓「分子コンピュータの理論と構 築」今後の研究方針 生体分子による計算の理論とシミュレーション – 形式言語理論的な離散的解析＋熱力学などの連続的解析 生体分子による自己組織化 – wet artificial life → 生命の起源 組合せ的な最適化を行う分子コンピュータ – 大規模化 → ワールド・チャンピオン・レコード 遺伝子データベース、および、遺伝子発現解析 – ＤＮＡ計算＋ＤＮＡチップ 生体分子を用いたナノテクノロジー – 計算 → 構造形成 分子計算とは １、生体分子（使いやすいのはDNAとRNA）を構成する単位（核酸）の配列に解こう とする問題を表現する。（この時、少ない種類の分子を用意することで実質的に多く の候補を表現できるように工夫する。） ２、これらの分子を何らかの形で反応させて、計算にあたる処理を行わせる。 例：DNAにおいては塩基対の形成による部分的な２重鎖の形成、ライゲーションなど ３、形成された 学振未来開拓「分子コンピュータの理論と構築」 これまでの研究により「計算」という側面から分子反応を解析する重要性を深 く認識 DNA、RNA、タンパク質などの組み合せ的な複雑さを有する生体分子が持 つ計算能力を解明し、その計算能力を引き出す反応系を設計する方法を確 立することを目指す。 （ｃｆ．生体分子を用いた技術のための基礎研究という側面） 研究成果は、組み合せ的な複雑度を有する生体分子に対して、幅広く応 用することができるはずである。 ※ この分野の先駆者Adlemanは、DNA計算の超並列性による計算の能 力で計算機に勝るという目標を提示して研究分野を開拓したが、これが容 易に達成できないために、この研究分野に対して不信感を招いてしまった。