kashimura m

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

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

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

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

0 1 data2 Re

1 1 data3 Re

2階層2配列NPMM

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

0 1 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

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

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

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

Electro

ph

oresis

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

A0 Re

B1 Re

C2 Re 27mix 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

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 Re 27mix 9mix 3mix

NPMM基本動作の正確性の確認

output

output

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

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

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

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



3階層3配列NPMM

↓ 3階層23配列NPMM

A0 Re

B1 Re

C2 Re 12,167mix 529mix 23mix

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

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

kashimura m

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