![修士論文発表会資料
背景
DNAによるnanotechnology
DNAタイル[Winfree 98]
⇒計算，論理ゲート，
複数のDNAが ナノ回路への応用
相補結合 500nm
DNAタイル DNAタイルによる集合体
うまく結合しない
× エラーがないことが前提
（エラーがある）と… 意図しない構造 エラーが少ない塩基配列の設計
SEQUIN [Seeman 90] 自由エネルギーによる設計 [Hofacker 94][Tanaka 05]
• 配列中に長さk以上の塩基列Sを • 一本鎖・二本鎖におけるループ構造を考慮し，
一度のみ許す設計 結合の安定性を評価
• 計算量小
AGTCATGATTCAAGGC
• 計算量大
CATGが一度だけ登場
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Ppt iimura
- 1. 修士論文発表会資料 ∼修士論文発表∼ 自由エネルギーを用いたDNAタイルのための 塩基配列設計手法の提案と支援システムの構築 ~Sequence Design Support System for DNA tiles based on the Free Energy ~ 複雑系工学講座 調和系工学研究室 飯村直記
- 2. 修士論文発表会資料 背景 DNAによるnanotechnology DNAタイル[Winfree 98] ⇒計算，論理ゲート， 複数のDNAが ナノ回路への応用 相補結合 500nm DNAタイル DNAタイルによる集合体 うまく結合しない × エラーがないことが前提 （エラーがある）と… 意図しない構造 エラーが少ない塩基配列の設計 SEQUIN [Seeman 90] 自由エネルギーによる設計 [Hofacker 94][Tanaka 05] • 配列中に長さk以上の塩基列Sを • 一本鎖・二本鎖におけるループ構造を考慮し， 一度のみ許す設計 結合の安定性を評価 • 計算量小 AGTCATGATTCAAGGC • 計算量大 CATGが一度だけ登場 1
- 3. 修士論文発表会資料 目的 自由エネルギーを用いたDNAタイルの配列設計 手法の提案 結合エラーの少ない配列の設計 配列設計支援システムの構築 配列設計 ＋ 解析機能 による支援 2
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- 5. 修士論文発表会資料 塩基配列設計 構造が安定な配列セットを設計する 目的の結合をする ＋ 乖離しない 構造安定性と構造の関係 配列セットA 安定性 低 （エラー多） 配列セットB 自由エネルギー ΔＧ 配列セットC 安定性 高 （エラー少） ． 結合によってできる構造 ． ． 4 n 通り ． 3
- 6. 修士論文発表会資料 塩基配列設計 構造が安定な配列セットを設計する 目的の結合をする ＋ 乖離しない 構造安定性と構造の関係 配列セットA 安定性 低 （エラー多） 配列セットB 自由エネルギー ΔＧ 配列セットC 安定性 高 （エラー少） ． 結合によってできる構造 ． ． 4 n 通り ． 3
- 7. 修士論文発表会資料 塩基配列設計 構造が安定な配列セットを設計する 目的の結合をする ＋ 乖離しない • 安定な構造が複数存在 • 全体的に結合が不安定 • エラーがないときの安 定性が高い • 最も安定なものと差が小さい • 目的の結合をしていない • 意図しない構造が不安定 • 意図しない構造になりやすい • 乖離する • タイルを形成しやすい １本の分子内のΔG タイルにおける 2本の分子間のΔG 安定性評価の策定 3
- 8. 修士論文発表会資料 構造安定性評価 1. 分子内で二次構造をとらない I1 分子内の二次構造によ る G × 分子間の結合の障害となる 高 I1 低 2. 非目的間で結合をしない I2 非目的間の G 避ける必要 非目的間の結合 がある 高 I2 低 3. 目的間の結合が安定 I3 目的間の G より安定である 必要がある 目的間の結合 高 I3 低 4
- 9. 修士論文発表会資料 最適化による配列設計 最適化によって安定性の高い配列を設計 近隣のタイルは安定性が類似 ⇒ 配列を少しずつ変化させ，より安定なタイルを設計 ランダムに塩基を選択， 配列セットA 配列セットB 配列セットC T T →A, G →C…に変化 A 遷移の過程で最も安定な配列を採用 ⇒ Hill-Climbing 評価関数 E x I1 I2 I3 I1 分子内の二次構造によ る G I2 非目的間の G タイルを形成しやすり配列の設計 I3 目的間の G 5
- 10. 修士論文発表会資料 最適化結果 対象とするタイル 4×4DNAタイル [Yan ‘03] 50回試行の結果 ランダムでは設計が難しい配列の設計 • Hill Climbingによる最適化が有効 不安定 安定 ランダムに生成した50,000タイルの評価値Eの分布 6
- 11. 修士論文発表会資料 システム要件 ユーザからの要求 システムの提示 任意の大きさのタイルに適応 GC% 塩基配列の指定 融解温度Tm 避けるべき塩基列 / 含むべき塩基列 分子内の自由エネルギー （ΔG） GC%による制約 目的間，非目的間の自由エネルギー （ΔG） GC対，AT対の場所の指定 印刷 目的，非目的間の結合の重要度 ファイル保存，読み取り ここはランダム この配列はATCATATATCGCGAGCG ここの目的間の この配列のGC%は43% ΔGは-12.1 この配列間の（非目的）のΔGは-5.2 GC%は50~60% “GGGGG”の並びは禁止 7
- 12. 修士論文発表会資料 デモンストレーション 任意の大きさのタイルに適応 塩基配列の指定 避けるべき塩基列 / 含むべき塩基列 GC%による制約 GC対，AT対の場所の指定 目的，非目的間の結合の重要度 GC% 融解温度Tm 分子内のΔG 目的間，非目的間のΔG 8
- 13. 修士論文発表会資料 まとめ 自由エネルギーを用いた塩基配列設計手法の提案 最適化により先行研究よりもエラーが少ないと思われる配列を設計した． 配列設計支援システムの構築 ユーザとの対話的な設計によって，化学実験を反映した配列設計が可能 解析機能によって，時間コストの削減が見込まれる． 9
- 14. 修士論文発表会資料 参考文献 L.M.Adleman : “Molecular computation of solutions to combinatorial problems” Science, 266: 1021-1024, (1994) Erik Winfree, Furong Liu, Lisa Wenzler and Nadrina C.Seeman: “Design and self-assembly of two-dimensional DNA crystals” Nature, Vol 394, 539-544 (1998) Nadrian C. Seeman: “DeNovo Design of Sequence for Nucleic Acid Structure Engineering” Journal of Biomolecular Structure & Dynamics, ISSNO739-1102, vol8, (1990) Hao Yan, Liping Feng, Thomas H. LaBean, John H. Reif: “Parallel Molecular Computations of Pairwise Exclusive-Or (XOR) Using DNA “String Tile” Self-Assembly” J.Am.Chem.Soc, Vol.125(47), pp.14246-14247, (2003) Bryan Wei, Zhengyu Wang, Yougli Mi: “A de novo DNA sequence generation computer software for DNA self-assembly” DNA12 ,(2006) Naoki Iimura, Masahito Yamamoto, Fumiaki Tanaka, Atsushi Kameda, Azuma Ohuchi: “Sequence Design for Stable DNA tiles” DNA12, (2006)
- 15. 修士論文発表会資料 各項の分布 I1 の分布 I2 の分布 I3 の分布 E の分布