1. 平成14年度 卒業研究発表
北海道大学 工学部 情報工学科
複雑系工学講座 調和系工学分野
高橋直人
ヘアピン構造DNAを利用した
アクエアスコンピューティング
の実現に関する研究

2. ・同一の分布からなる複数の部分に分割可能
・部分同士を均一に混合可能
分子メモリ
アクエアスコンピューティング
DNA分子をメモリとして利用
水様： Aqueous（アクエアス） A
A
A
…
RAM
水様性を利用してRAMを
実現し，計算を行う
[山村,2000]
A
B
C
…
ROM
例 : NPMM
[柏村,2002]
メモリ素子であるDNA分子が溶液中にランダムに存在する
小スペースで大容量
のストレージを実現
生体分子の利用によって，小スペースで大容量，且つ超並列に処理の可能なメモリを実現
できるとして，近年，分子メモリに注目が集まっている．

3. アクエアスコンピューティング
方舟問題
右図は，ロバ，ライオン，ウサギを頂点に持つグラフで，辺は競合する（食い
あう）ことを示している．同じ檻に入れておいても食いあわない組み合わせの
うち，動物の種類が最大になるものを求める．この問題はNP完全であり，動
物の種類が増加すれば急速に困難となる．
3bitの分子メモリを用意し，各bitは，ロバ，ライオン，ウサギが檻に居る（1）か居ない（0）かを表す．
1
1
1
0
1
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
0
・線形回数（n）の実験操作で，指数的に増加する解領域（ ）を探索できる
[山村,2000]
n2
１回 ２回
４個

4. DNA分子によるbit表現
赤の制限酵素 ライゲーション
200 190
10
20
40
環状配列と制限酵素を利用した手法（CDL法）
5’-AAGCTT-3’
3’-TTCGAA-5’
5’-A AGCTT-3’
3’-TTCGA A-5’
bitの状態：111 bitの状態：011
が でbitを表現
有る：1
無い：0
・酵素反応を利用する為，温度調節が必要 ⇒ 温度調節は不要にできないか？
・「切断」→「再環状化」という２ステップでの操作 ⇒ １ステップで状態変更できないか？
・短くなったメモリは復元不能 ⇒ メモリを復元（再利用）できないか？
[Head,1999]
「再環状化」「切断」
3bitの例
別の手法による効率化の可能性

5. 本研究の目的
環状DNA利用よりも効率化を図れる，
ヘアピン構造DNAを利用した分子メモリを作成し，
アクエアスコンピューティングを実現する．

6. ヘアピン構造DNAを利用した分子メモリ
ヘアピン
5’ 3’
＋ 5’3’
ヘアピンが
閉じている：1
開いている：0
でbitを表現
bitの状態：1 bitの状態：0
openerhairpin
・室温で反応が進むので温度調節は不要
・openerを混合するという１ステップだけで状態変更が可能
・溶液を高温から急冷することでメモリを初期状態に戻せる（再利用可）
ヘアピン構造DNAを利用した分子メモリ
DNA-HRAM（DNA Hairpin-based RAM）

7. 多bitのDNA-HRAM
目標配列（4bit）
5’3’
5’3’
5’3’
5’3’
＋
openerhairpin
A
B
C
D
A B C D
3’5’
・各hairpinはそれぞれのopenerによってのみ特異的に，且つ独立に開かれる必要がある．
[上嶋,2003]
設計
・100merを越える長い配列を直接生成するのは技術的に困難な為，短い部品に分解したもの
を生成し，それらを組み立てることで目標配列を得る必要がある．
作成
・部品を組み立てる際，接合（ライゲーション）する箇所が固定されるような工夫が必要である．
考慮すべき点
・（ゲル電気泳動を利用した）確認方法自体を考案する必要がある．
動作確認

8. DNA-HRAMの作成
: 5’ リン酸基
hairpin A hairpin B hairpin C hairpin D
5’3’ 5’3’ 5’3’ 5’3’
comp A comp AB comp BC comp CD
hairpin A hairpin B hairpin C hairpin D
5’
3’
comp AB comp BC comp CD comp DE
5’
3’
5’
3’
5’
3’
hairpin E
hairpin A hairpin B hairpin C hairpin D last E
10
10 13
710 10
10 10

9. ゲル電気泳動による作成状況の確認
配列長変化の利用
DNAは負の電荷を帯びており，電圧を掛けるとゲル中を正極へ向かって流れて行く．
一般的に長い配列ほど流れ難く，上の方にバンドが出るがヘアピン構造などの二次構造を
取る場合はその限りでない．
しかし，配列の長さや形状が変われば，泳動度には何かしらの変化が見られるはずである．
A B A+B
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
A+B+C+D+E
・・・
・・・
全部品を接合したときに他で見られないバンドが現れれば，それが目標配列であると判断できる．

10. 作成実験結果
A+B+C+D+E
B+C+D+E
A+B+C+D
C+D+E
B+C+D
A+B+C
D+E
C+D
B+C
A+B
E
D
C
B
A
目標配列
A
B
C
D
E
: 5’ リン酸基
Marker
Markerは直鎖状２本鎖の長さの目安
であり、１本鎖で且つヘアピン構造を
取る本配列の場合、Markerとの比較
で直接長さを読み取ることはできない。
10% PAGE
200V 35min
全部品を接合した場合
にだけ見られるバンド
A B C D

11. ゲル電気泳動による動作確認
形状変化の利用
配列の形状が変われば，泳動度に何かしらの変化が見られるはずである．
1111 0111 1011
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
0000
・・・
・・・
openerの作用によりメモリの形状が変化する．
これに伴い泳動度に差が生じることを利用して，全16状態の動作確認が可能であると考える．
A B C D
＋＋＋ ＋ ＋

12. 動作確認実験結果
openerA
openerB
openerC
openerD
1111(template)
0111
1011
1101
1110
0011
0101
0110
1001
1010
1100
0001
0010
0100
1000
0000
縦5倍拡大図⇒
10% PAGE
200V 45min
A B C D
全16状態
1 : 閉じている
0 : 開いている
ABCD
作成後に精製して目標配列のみにしたもの
opener を混合して hairpin を開くとメモリの形状が変化する．その形状
の違いによって生じる泳動度の差で，メモリの動作状況を確認する．

13. 動作確認実験結果（拡大）
hairpin A, B, D については，開く
ことで泳動度に変化が現れたの
で，正常に動作していると判断さ
れる．
但し，1111 のバンドと 1101 のバ
ンドがほぼ同じ位置に見えるこ
とから，hairpin C の動作には疑
問が残る結果となった．
考えられる状況は，
1. opener C が機能していない
2. 偶然バンドに差が出ていない
3. hairpin C が形成されていない
これらの検証実験が必要である．
今後の課題
・泳動時間を長くしてみる
・別の検出法を適用する
・etc…
openerA
openerB
openerC
openerD
1111(template)
0111
1011
1101
1110
0011
0101
0110
1001
1010
1100
0001
0010
0100
1000
0000
1011
1111,1101
1110
0111
ABCD
A B C D
1 : 閉じている
0 : 開いている
全16状態（縦5倍拡大）

14. まとめ
・ DNA-HRAMの作成法を考案し，実際に4bitのDNA-HRAMを作成した
・ 動作確認を行ったところ hairpin A, B, D は正常に動作しているようだが
hairpin C については疑問の残る結果となった
現在進行中
・ゲル電気泳動による別の状態検出法の適用準備
・今後様々な実験を行う為，目標配列の増幅準備
今後
・hairpin C 動作確認の追実験，連続動作の実験
・DNA-HRAMによるアクエアスコンピューティングの実行（4bitの問題）
・更なる多bit化