構造的分子計算理論-自律的計算系の解析と設計のための基礎理論

结构分子计算理论-自主计算系统分析与设计的基础理论

• 批准号: 14085205
• 负责人: 上田 和紀
• 金额: $ 26.56万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-14085205/
• 关键词: 自律計算; 配列設計; バクテリアコンピュータ; 自然計算; 非線形科学; 少数分子系; 階層グラフ書換え; DNAコンピュータ; 情報基礎; 自己組織化; 生体機能利用; 分子機械

(1)膜計算モデルにおける新しい計算モデルの提案:神経細胞系をモデルとして,膜計算の新しいモデル「Spiking Neural P-Systems」を提案し,受理器と生成器の両タイプにおいてその計算能力の万能性を示した。(2)平衡状態の効率の良い計算手法の開発:入力分子のサイズに比して会合の結果生成される分子複合体の個数が組合せ論的な爆発をするような反応系に対して,平衡状態を計算するための一般論を構築した。平衡状態計算を系全体の自由エネルギーの最小化問題として定式化し,変数の個数を著しく削減する新しいアルゴリズムを開発した。(3)細胞並列計算に向けたバクテリアセルオートマトンの実装:細胞を用いたセルオートマトンの実現に向けての第一歩として,細胞内分子反応メカニズムを用いて自律的でプログラム可能なバクテリアコンピュータを開発した。これは世界で初めてバクテリアを用いて計算が実行できたことを証明するものである。(4)抽象化学反応計算モデルの研究:微分方程式系などでは解析が困難な少数分子の化学反応系の振る舞いについて計算機実験と数理的解析により検討し,特にBelousov-Zhabotinsk (BZ)反応の数理モデルであるBrruselatorとOregonatorについて,分子数が少数になることによる不安定性について解析した。(5)分子計算シミュレータ:階層構造と接続構造の両方を扱う階層グラフ書換えモデルLMNtalの表現力検証のために,代表的計算モデルのエンコード法の確立と実装を行った。Ambient計算のエンコードにおいては自己調整に基づく分散名前管理方式を実現した。純粋λ計算のエンコードにおいては,膜を活用することで従来手法よりもはるかに簡潔な方法を実現した。

（1）膜计算模型中新的计算模型的建议：使用神经元细胞系统作为模型，我们提出了一个新的模型，用于膜计算“尖峰神经P系统”，该模型证明了其计算能力在接收机和发电机类型中的多功能性。 （2）开发平衡状态的有效计算方法：已经构建了一种通用理论，用于计算反应系统的平衡状态，在反应系统中，由于关联相对于输入分子的大小而产生的分子复合物的数量会导致组合爆炸。均衡状态计算是整个系统中自由能的最小化问题，并且已经开发了一种新算法以显着减少变量的数量。 （3）实施细菌细胞自动机进行细胞平行计算：作为实现细胞自动机的第一步，使用细胞内分子反应机制开发了一种自主和可编程的细菌计算机。这证明世界上第一次能够使用细菌进行计算。 （4）关于抽象化学反应计算模型的研究：通过计算机实验和数学分析研究了在微分方程系统中难以分析的少数分子的化学反应系统的行为，并且分析了少量分子引起的不稳定性，尤其是由Brrusulator和belegonator（belousov-Zhabotsk of Belosical and the Brrusulator and the Brrusulator and the Brrusulator and the Brrusulator and the Brrusulator and belousogy the Belousogical Reationsk of Belousogical and reationsk of Belousogical s）。 （5）分子计算模拟器：为了验证层次图重写模型LMNTAL的表达能力，该模型均涉及层次结构和连接的结构，并建立了代表性计算模型的编码方法。在编码环境计算时，已经实施了基于自我调整的分布式名称管理方法。在编码纯λ计算时，使用膜比常规方法更简洁。

项目成果

An Investigation of the Brusselator on the mesoscopic scale

介观尺度上的 Brusselator 的研究

• 发表时间: 2007
• 期刊: Journal of Parallel, Emergent and Distributed Systems 22
• 作者: 田端俊英;狩野方伸;Mai Umeki and Yasuhiro Suzuki;Yasuhiro Suzuki;Yasuhiro Suzuki
• 通讯作者: Yasuhiro Suzuki

Y.Sakakibara, H.Imai: "A DNA-based Computational Model using a Specific Type of Restriction Enzyme"Lecture Notes in Computer Science, Springer. 290-300 (2002)

Y.Sakakibara、H.Imai：“使用特定类型限制性酶的基于 DNA 的计算模型”计算机科学讲义，Springer。

A DNA-based Computational Model using a Specific Type of Restriction Enzymes

使用特定类型限制性内切酶的基于 DNA 的计算模型

• 发表时间: 2004
• 期刊: Journal of Automata, Languages and Combinatorics 9・1
• 作者: Y.Sakakibara;H.Imai
• 通讯作者: H.Imai

Modeling P53 signaling network by using Abstract Rewriting System on Multisets, a class of P Systems

使用一类 P 系统多重集上的抽象重写系统对 P53 信令网络进行建模

• 发表时间: 2005
• 期刊: Applications of Membrane Computing, Natural Computing series, Springer-Verlag.
• 作者: Y.Suzuki;H.Tanaka
• 通讯作者: H.Tanaka

An Attempt to Analyze the Dynamics of Abstract Rewriting Systems on Multisets

分析多重集抽象重写系统动力学的尝试

• 发表时间: 2006
• 期刊: Pre-proceedings of Membrane Computing, International Workshop
• 作者: Tsujikawa;K.;Ichijo;T.;Moriyama;K.;Tadotsu;N.;Sakamoto;K.;Sakane;N.;Fukada;S.;Furukawa;T.;Saito;H.;Yamamoto;H.;Y.Suzuki
• 通讯作者: Y.Suzuki