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iimura m

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  1. 1. 修士論文発表会資料 ~Sequence Design Support System for DNA tiles based on the Free Energy ~ 複雑系工学講座 調和系工学研究室 飯村直記 ~修士論文発表~ 自由エネルギーを用いたDNAタイルのための 塩基配列設計手法の提案と支援システムの構築
  2. 2. 修士論文発表会資料 1 背景  DNAによるnanotechnology DNAタイル[Winfree 98] ⇒計算,論理ゲート, ナノ回路への応用 500nm DNAタイルによる集合体 DNAタイル うまく結合しない (エラーがある)と… エラーがないことが前提 エラーが少ない塩基配列の設計 SEQUIN [Seeman 90] 自由エネルギーによる設計 [Hofacker 94][Tanaka 05] AGTCATGATTCAAGGC • 配列中に長さk以上の塩基列Sを 一度のみ許す設計 • 計算量小 CATGが一度だけ登場 複数のDNAが 相補結合 × 意図しない構造 • 一本鎖・二本鎖におけるループ構造を考慮し, 結合の安定性を評価 • 計算量大
  3. 3. 修士論文発表会資料 2 目的 自由エネルギーを用いたDNAタイルの配列設計 手法の提案 結合エラーの少ない配列の設計  配列設計支援システムの構築  配列設計 + 解析機能 による支援
  4. 4. 修士論文発表会資料 3 配列セットA 塩基配列設計 自由エネルギー ΔG 安定性 高 (エラー少) 安定性 低 (エラー多) 構造安定性と構造の関係 結合によってできる構造 タイルを形成し,その結合 が強固なときが最も安定 構造が安定な配列セットを設計する 目的の結合をする + 乖離しない 配列セットB 配列セットC .... n 4 通り
  5. 5. 修士論文発表会資料 3 塩基配列設計 構造安定性と構造の関係 結合によってできる構造 安定性 高 (エラー少) 安定性 低 (エラー多) 構造が安定な配列セットを設計する 目的の結合をする + 乖離しない 配列セットA 配列セットB 配列セットC .... 自由エネルギー ΔG 通り n 4
  6. 6. 修士論文発表会資料 3 塩基配列設計 構造安定性と構造の関係 結合によってできる構造 安定性 高 (エラー少) 安定性 低 (エラー多) 構造が安定な配列セットを設計する 目的の結合をする + 乖離しない 配列セットA 配列セットB 配列セットC .... 自由エネルギー ΔG 通り n 4
  7. 7. 修士論文発表会資料 3 塩基配列設計 構造が安定な配列セットを設計する 目的の結合をする + 乖離しない 1本の分子内のΔG 2本の分子間のΔG タイルにおける 安定性評価の策定 • 全体的に結合が不安定 • 目的の結合をしていない • 乖離する • 安定な構造が複数存在 • 最も安定なものと差が小さい • 意図しない構造になりやすい • エラーがないときの安 定性が高い • 意図しない構造が不安定 • タイルを形成しやすい
  8. 8. 修士論文発表会資料 4 構造安定性評価 1. 分子内で二次構造をとらない 2. 非目的間で結合をしない I1 分子内の二次構造によるG × 分子間の結合の障害となる 高 I1 低 非目的間の結合 目的間の結合 3. 目的間の結合が安定 I2 非目的間のG I3 目的間のG 避ける必要 がある より安定である 必要がある 高 I2 低 高 I3 低
  9. 9. 修士論文発表会資料 5 最適化による配列設計 近隣のタイルは安定性が類似 ⇒ 配列を少しずつ変化させ,より安定なタイルを設計                    I G I G I G E x I I I 目的間の 非目的間の 分子内の二次構造による 3 2 1 1  2  3 T A ランダムに塩基を選択, T →A, G →C…に変化 遷移の過程で最も安定な配列を採用 ⇒ Hill-Climbing 評価関数 配列セットA 配列セットB 配列セットC 最適化によって安定性の高い配列を設計 タイルを形成しやすり配列の設計
  10. 10. 修士論文発表会資料 6 最適化結果 4×4DNAタイル [Yan ‘03] 対象とするタイル 50回試行の結果 ランダムに生成した50,000タイルの評価値Eの分布 • Hill Climbingによる最適化が有効 ランダムでは設計が難しい配列の設計 不安定 安定
  11. 11. 修士論文発表会資料 7 システム要件 この配列はATCATATATCGCGAGCG ここはランダム GC%は50~60% “GGGGG”の並びは禁止  任意の大きさのタイルに適応  塩基配列の指定  避けるべき塩基列 / 含むべき塩基列  GC%による制約  GC対,AT対の場所の指定  目的,非目的間の結合の重要度 システムの提示  GC%  融解温度Tm  分子内の自由エネルギー (ΔG)  目的間,非目的間の自由エネルギー (ΔG) ユーザからの要求 ここの目的間の ΔGは-12.1 この配列のGC%は43% この配列間の(非目的)のΔGは-5.2  印刷  ファイル保存,読み取り
  12. 12. 修士論文発表会資料 8 デモンストレーション  任意の大きさのタイルに適応  塩基配列の指定  避けるべき塩基列 / 含むべき塩基列  GC%による制約  GC対,AT対の場所の指定  目的,非目的間の結合の重要度  GC%  融解温度Tm  分子内のΔG  目的間,非目的間のΔG
  13. 13. 修士論文発表会資料 9 まとめ  自由エネルギーを用いた塩基配列設計手法の提案  最適化により先行研究よりもエラーが少ないと思われる配列を設計した.  配列設計支援システムの構築  ユーザとの対話的な設計によって,化学実験を反映した配列設計が可能  解析機能によって,時間コストの削減が見込まれる.

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