複雑な情報処理を行うプログラム可能な人工分子回路の設計法に関する革新的研究

关于如何设计执行复杂信息处理的可编程人工分子电路的创新研究

• 批准号: 20KK0331
• 负责人: 中茎 隆
• 金额: $ 8.9万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (A))
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021 至 2023
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20KK0331/
• 关键词: DNAコンピューティング; 多層パーセプトロン; 人工分子回路

生体分子で構成されるマイクロサイズの分子ロボットは，様々なナノ技術が統合された知的システムである。医療分野での応用が期待されている分子ロボット技術の社会実装を加速する上で，複雑な情報処理を行うプログラム可能な人工分子回路の実用的な設計法が求められている。本国際共同研究では，人工分子回路の理想的なアナロジーとして、細胞内シグナル伝達系を据え，制御理論を基盤とする基課題に，シグナル伝達系の動作原理とマイクロデバイス技術を融合した多層パーセプトロン回路の開発を行う。具体的には，DNAコンピューティング技術をベースに，DNA鎖間の結合・解離反応を設計し連鎖させる反応系（以後，DNA回路）に多層パーセプトロン演算を実装することを目指す。前年度にシミュレーションレベルで進めた単純パーセプトロン回路の基礎検討を踏まえ，今年度は次の課題に取り組んだ。(1)リーク反応などの副反応に頑強なDNA回路設計の実験レベルでの検討：本研究で設計すべき多層パーセプトロン回路は大規模になるため，副反応に頑強なDNA回路の設計法を考案することが本質的に求められる。前年度の基礎検討において，設計法のシミュレーションレベルでの有効性は確認されたため，今年度は実験レベルで検証に着手した。現在までに実験・検証方法を検討しつつ，DNA回路の再設計とデータ取りを続けている。(2)再生化機構の実験レベルでの検討：単純パーセプトロン回路は学習のために繰り返し反応場に与えられる入力刺激に対して応答する機構（再生化機構）が必要となる。DNA回路設計の自由度を拡大すべく，RNAを融合した設計法と再生化機構への応用について，現在までに実験レベルでの検証を続けている。(3)マイクロ流体デバイスによるパーセプトロン回路の実現方法の検討：上記(1-2)について，試験管での実験と並行して，マイクロ流体デバイス上での評価方法を検討した。

由生物分子组成的微型分子机器人是整合各种纳米技术的智能系统。为了加速分子机器人技术的社会实施，预计将应用于医疗领域，需要针对执行复杂信息处理的可编程人工分子电路的实用设计方法。在这项国际联合研究中，我们将开发一种多层感知器电路，该电路将信号系统的运行原理与微电位技术结合在一起，以及人工分子电路的理想类比，以及基于控制理论的基于基于控制理论的细胞内信号传导系统作为基本问题。具体而言，我们旨在在反应系统（以下称为DNA电路）中实施多层感知器操作，该操作基于DNA计算技术设计并链接DNA链之间的结合和分离反应。基于上一年在模拟级别进行的简单感知电路的基本考虑，今年我们应对下一个挑战。 （1）对诸如泄漏反应等副反应的DNA电路设计的实验研究：因为本研究中应设计的多层感知电路是很大的，因此基本上必须设计一种设计具有良好侧反应的DNA电路的方法。在上一年的基本研究中，确认了设计方法在模拟水平上的有效性，因此今年我们开始在实验级别进行验证。迄今为止，我们继续重新设计DNA电路并在考虑实验和验证方法的同时收集数据。 （2）对再生机制的实验检查：一种简单的感知电路需要一种机制（再生机制），该机制对反应领域的反应领域反复应用的输入刺激做出了反应。为了扩大DNA电路设计的自由度，我们一直在继续验证将RNA及其应用于实验级别的再生机制相结合的设计方法。 （3）研究使用微流体设备实现感知电路的方法：关于（1-2），我们研究了微流体设备的评估方法与测试管中的实验并行。

项目成果

ハイパスフィルタ特性を持つDNA回路の設計

具有高通滤波器特性的DNA电路设计

• 发表时间: 2022
• 作者: Kawahara Ichiro;Shiozaki Eri;Ogawa Yuka;Morofuji Yoichi;Haraguchi Wataru;Ono Tomonori;Tsutsumi Keisuke;Honda Kazuya;Ito Takehiro;尾花亮，中茎隆
• 通讯作者: 尾花亮，中茎隆

分子ブースターによるDNA鎖置換反応の加速効果の定量評価

分子助推器对DNA链置换反应加速效果的定量评价

• 发表时间: 2022
• 作者: Yoshiyuki Kagawa;Koji Oohora;Takashi Hayashi;川野隆宏，麻生かおり，嶋田直彦，丸山厚，中茎隆
• 通讯作者: 川野隆宏，麻生かおり，嶋田直彦，丸山厚，中茎隆