1. 平成14年度 修士論文
階層アドレス型DNAメモリの実現と大容量化
に関する研究
複雑系工学講座調和系工学分野
柏村 聡

2. 本研究目的：DNAを記憶素子として用いたDNAメモリの構築
DNAでメモリを構築する利点
DNAの微小性 → 大容量, 省スペース化
DNAの超並列反応 → 超並列連想探索
記憶素子がDNA → 遺伝情報保存メディア
→ cDNA Library
⇒ ROM, Storageに向く
DNAメモリの欠点
読み出しに時間がかかる
データの書き換えが困難

3. 従来研究 :
問題点 : Affinity分離の収率の低さ ⇒ DNA量の面で多段階指定困難
化学実験を行っていない
E.B.Baum : Building an Associative Memory Vastly Larger Than the Brain
SCIENCE, vol.268, pp583-585, in 1995
1本鎖DNAを複数の階層に分割.
各階層に0, 1を表す配列を用い, DNA上に2進データを表現
Affinity分離を用いて任意の階層の値を指定することによる超並列連想探索
“大容量省スペースの超並列連想メモリ”の提案
0 * 1 * *
0 1 1 0 1
0 0 1 1 0
query:
result
Affinity分離

4. 提案モデル : Nested Primer Molecular Memory
1.従来のモデルの機能の拡張 2.PCRによる多段階指定の実現
アドレス部(階層数：L, 配列：S) ⇒ L階層S配列NPMM
アドレス部
複数の階層からなり,各階層には複数の配列が定義
各階層の値は後に続くデータのアドレスとして機能
保存データとアドレス値は1対1対応
データ部 (ROM ⇔ 連想メモリ)
遺伝情報を含む任意のデータが保存可能
→遺伝情報メディア,cDNA Libraby
Re部 PCRを行うために必要
SL
アドレス部 データ部 Re部
階層数:L, 配列数:S
0 1 data1
0 0 data0 Re
Re
01 data2 Re
1 1 data3 Re
2階層2配列NPMM

5. 提案モデル : Nested Primer Molecular Memory
1.従来のモデルの機能の拡張 2. PCRによる多段階指定の実現
PCRによる階層値(アドレス)指定
指定された階層の値を有するDNAのみを増幅
→ 多段階指定の実現
SL
アドレス部 データ部 Re部
階層数:L, 配列数:S
0 1 data1
0 0 data0 Re
Re
01 data2 Re
1 1 data3 Re
2階層2配列NPMM
アドレス部(階層数：L, 配列：S) ⇒ L階層S配列NPMM
Affinity分離

6. Primer : 強い選択性
(高い特異性)
3階層2配列NPMMにおけるPCRによるアドレス指定過程
0 0 0
1
1
1
Primer
0
Re
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1 1
1
1
1 1 1
1
1
希釈による
非目的ＤＮＡと
エラーの排除
Primer
Re
1
Primer
0
Re
result

7. NPMM実現のために
•NPMM基本動作の確認 (NPMM基本動作 → PCRからなる)
•全てのアドレス指定過程において,
PCRが適切に進んでいることの確認
•大容量化へ向けた検討
•相対量の減少
•配列の多様性の増大

8. 化学実験１．
実験目的：NPMMの基本動作の確認
実験概要：3階層3配列NPMMに対し,A0,B1,C2アドレス指定
各階層における溶液の状態確認
0% 100%Denaturant
Electrophoresis
Double strand
Single strands
DGGE
*
Partially melted
“wild type”
Partially melted“mutant”
A0
Re
C2
Re
B1
Re
27mix 9mix 3mix target
[Fischer and Lerman,83],[Yamamoto,02]
Ai-Bj-Ck-dataijk-Re (i,j,k ∈ {0,1,2})
3階層3配列NPMMのDNA構造

9. A0
Re
B1
Re
C2
Re27mix 9mix 3mix
解
解
実験結果：3階層3配列NPMMに対し,A0,B1,C2アドレス指定
解：人工的に合成した理想の結果

10. A A’：人工合成した解 A+A’
実験結果：3階層3配列NPMMに対し,A0,B1,C2アドレス指定
A0
Re
B1
Re
C2
Re27mix 9mix 3mix
NPMM基本動作の正確性の確認
output
output

11. NPMM実現のために (2)
•NPMM基本動作の確認 (完了)
•大容量化へ向けて
•大容量化が困難な主な理由
•相対量の減少による影響
(目的の相手との遭遇確率の減少)
•配列の多様性の増大による影響
(配列の特異性の減少による望まない反応の増加)
⇒ 相対量の減少の影響を化学実験によって調べる

12. NPMM大容量化における相対量の減少の影響に関して
3階層23配列NPMM：A0,B1,C2 アドレス指定
小規模NPMMにより大規模NPMMの検証実験を行う
NPMM ：12,167本 ⇒ 1本
Primer ： 1 / 23 (529/12,167 ⇒ 23/529 ⇒ 1/23)
PCR ： 1 / 529, ⇒ 1/ 23
相対量が減少しても, 適切なPCRが可能であるか？
23
C0
C1
C2
C22
1
12,167
A0
529種類
A1
529種類
A22
529種類
529
B0
23種類
B1
23種類
B22
23種類
A0B1C2
AiBjCk A0BjCk A0B1Ck
1 / 23 1 / 23 1 / 23

13. 3階層3配列NPMM ⇒ 3階層23配列NPMMへ
23
C0
(C0,C1C3,～C10)
C1
(C11～C21)
C2
1
12,167
A0
529種類
A1(A1～
A11)
529×11種類
A2(A12～A22)
529×11種類
529
B0
(B0,B2～B11)
23×11種類
B2
(B12～B22)
23×11種類
A0B1C2
AiBjCk A0BjCk A0B1Ck
B1
23種類
1 / 23 1 / 23
相対量の点で大規模NPMMを小規模NPMMで検証
Targetが決まる → Target以外は全てnon-target.
複数のnon-targetを1つのnon-targetで代表させたとしても
相対量の面では問題とならない
•Targetとnon-targetの相対的な本数
1本/12,167本 ⇒ １本/529本 ⇒ 1本/23本 ⇒ 1本
•PCRにおけるの相対的な本数
529本/12,167本 ⇒ 23本/529本 ⇒ 1本/23本
基本概念
Non-target置き換えアルゴリズムの提案

14. 化学実験２．
実験目的：相対量の減少に注目したNPMM大容量化の検証
実験概要： 3階層23配列NPMMを3階層3配列NPMMにより生成
A0,B1,C2アドレス指定
template000 : 1 : ×121
template001 : 1 : ×121
template002 : 2 : ×11
template010 : 2 : ×11
template011 : 2 : ×11
template012 : 3 : ×1
template020 : 1 : ×121
template021 : 1 : ×121
template022 : 2 : ×11
template100 : 0 : ×1331
template101 : 0 : ×1331
template102 : 1 : ×121
template110 : 1 : ×121
template111 : 1 : ×121
template112 : 2 : ×11
template120 : 0 : ×1331
template121 : 0 : ×1331
template122 : 1 : ×121
template200 : 0 : ×1331
template201 : 0 : ×1331
template202 : 1 : ×121
template210 : 1 : ×121
template211 : 1 : ×121
template212 : 2 : ×11
template220 : 0 : ×1331
template221 : 0 : ×1331
template222 : 1 : ×121
3階層3配列NPMM
↓
3階層23配列NPMM
A0
Re
B1
Re
C2
Re12,167mix 529mix 23mix

15. A:output A’：解 A+A’
実験結果： 3階層23配列NPMMに対しA0,B1,C2
A0
Re B1
Re
C2
Re
12,167mix 529mix 23mix output
3階層23配列NPMMにおける相対量の減少の影響は抑えることが出来た
しかしながら,相対量の減少の影響は無視し難い
3階層3配列NPMM
3階層23配列NPMM
A.T : 60℃
酵素 : KOD Dash
A.T : 63℃
酵素 : KOD Plus
安定した反応を起こす
反応条件がシビアに

16. 終わりに
•階層アドレス型DNAメモリモデル(NPMM)の提案を行った
•NPMMの基本動作の正確性を示した
•NPMMの大容量化に向けて
化学実験を通して,相対量の減少
多様性 ⇒ 配列の特異性に強く依存
今回用いた配列と同じ特異性を持つ配列 ⇒ 70本 [Kobayashi,02]
⇒ 3階層23配列