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:
circsplic
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Tgif-2.16-p3 by William Chia-Wei Cheng ([email protected])
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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:
suyama2.eps
Creator:
Photoshop Version 2.0.1
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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-transition
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Tgif-2.16J-p12 by William Chia-Wei Cheng ([email protected] .edu)
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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:
3sr
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Tgif-2.16J-p12 by William Chia-Wei Cheng (w [email protected])
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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:
3sr-serial
Creator:
Tgif-2.16J-p12 by William Chia-Wei Cheng ([email protected])
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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。

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