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matsui m

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  1. 1. DNAポリメラーゼ伸長による状態遷移反応の シミュレーションに関する研究 北海道大学大学院工学研究科 システム情報工学専攻 複雑系工学講座 調和系工学分野 修士課程2年 松井智
  2. 2. DNA Computing の研究 DNAを用いた計算モデル構築 化学反応系設計 化学実験シミュレータ 化学実験をすることなく、計算モデルに対する知 見を得ることができる シミュレータの利点 化学反応モデル設計 知見
  3. 3. 近年のDNA Computingの流れ 問題特化型DNA Computing ある問題に特化したDNA計算モデル 有効ハミルトン経路問題[Adleman 94 ] 充足可能性問題[Lipton 95] 汎用DNA Computing DNAによる汎用演算 状態遷移機械[Hagiya 99][Benenson 01] DNAメモリ[Head 99]
  4. 4. シミュレータの構築 State Transition Model (ST PCR Model)[Hashimoto 03]の濃度変 化シミュレータ構築 状態遷移をDNAの伸長反応で表現 研究が始まったばかりで知見が少ない シミュレータの特徴 分子の濃度変化量として各反応をとらえる 特定の分子(状態分子)のみに着目 計算量の増加を抑える VNA (Virtual Nucleic Acids)[Nishikawa 00] 計算モデルの実現可能性を調べる汎用シミュレータ 各反応を個別に計算 生成される全分子の濃度を計算 計算量が多い 目的 先行研究
  5. 5. 1SM0 SM0 ST PCR Model [Hashimoto 03] 0 2 TM01 1 TM12 32mer 16mer16mer 初期状態 0 0 1 2 DNAの伸長反応を利用して状 態遷移を実現 SM0 SM1 SM1 SM2 TM01 TM12 0 0 1 0 1 SM1 0 1 2 0 0 1 1 2 0 TM01 TM01 TM12 1 TM12 1 SM:状態分子(状態を表現) TM:遷移分子(遷移規則を表現) 66℃ 94℃ 66℃66℃ 66℃ SM0 SM1 94℃
  6. 6. シミュレータの前提 状態分子の濃度変化量は化学反応速度論に従う  反応する分子の濃度と反応速度定数の積 ]][[]][[ ][ iji Dj hih i TMSMaTMSMa dt SMd j   増加量 減少量 TMij a :反応速度定数 h i j [SMi]:SMi の相対濃度 TMiji j SMh TMhii SMi SMi SMj SMj SMi 状態分子SMiの微小時間における濃度変化量
  7. 7. シミュレータ内部の配列表現 16merの配列部分は1つの単位としてとらえる  16mer部分におけるアニ-リングの結合力 は一定  16mer部分のTmが一致するよう配列設計  16mer部分の酵素による伸長効率は一定  酵素は1秒間に数十mer伸長反応をおこす  ミスアニ-リングしない  ミスアニ-リングしないような配列設計  DNAは2次構造をとらない  2次構造をとらないよう配列設計 16mer 0 1 16mer16mer16mer s 0 前提
  8. 8. シミュレーションの過程 1. 入力:状態分子情報、遷移分子情報、各分子の相対濃度 2. 入力を元に全状態分子を生成 3. 各状態分子について濃度変化量d[SMi]/dt を計算 4. 出力は各PCRサイクル終了時の全状態分子の相対濃度 0 21 SM0 TM01 TM12 0 0 1 1 2 [1.0] [1.0] [1.0] SM0 0 SM10-1 SM2 0-1-2 ])[],([ ][ TMSMf dt SMd i  cycle 状態0 状態1 状態2 0 1.0 0.0 0.0 1 0.3 0.6 0.1 2 0.1 0.4 0.3 … … … … 入力 出力 2. 3. 1. 4.
  9. 9. 化学実験とシミュレーションの比較  3~6,11状態を持つ状態遷移  初期状態分子と遷移分子の相対濃度は全て1.0(等濃度)  PCRサイクル終了時、全状態分子の相対濃度を比較  実験とシミュレータ出力との2乗誤差を最小化した時のパラ メータを利用  実験値とシミュレータ出力を比較しやすくする cycle 状態0 状態1 状態2 … 0 1.0 0.0 0.0 … 2 0.7 0.25 0.05 … 4 0.65 0.25 0.1 … … … … … … 実験データ cycle 状態0 状態1 状態2 … 0 1.0 0.0 0.0 … 2 0.75 0.2 0.05 … 4 0.7 0.2 0.1 … … … … … … シミュレーション 実験 比較法
  10. 10. 比較結果(4状態) 相対濃度 4状態 シミュレーション 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 PCRサイクル 相対濃度 状態0 状態1 状態2 状態3 相対濃度 4状態 化学反応 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 PCRサイクル 相対濃度 状態0 状態1 状態2 状態3 おおむねシミュレータと実験結果 の傾向は一致している 化学反応は計算モデルをある 程度実現
  11. 11. 相対濃度 6状態 シミュレーション 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 40 PCRサイクル 相対濃度 状態0 状態1 状態2 状態3 状態4 状態5 相対濃度 6状態 化学実験 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 40 PCRサイクル 相対濃度 状態0 状態1 状態2 状態3 状態4 状態5 比較結果(6,11状態)相対濃度 11状態 シミュレーション 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 40 50 60 70 PCRサイクル 相対濃度 状態0 状態1 状態2 状態3 状態4 状態5 状態6 状態7 状態8 状態9 状態10 相対濃度 11状態 化学実験 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 40 50 60 70 PCRサイクル 相対濃度 状態0 状態1 状態2 状態3 状態4 状態5 状態6 状態7 状態8 状態9 状態10 4状態と同じように傾向の一致が見られる
  12. 12. 状態遷移回数の上限 観測限界濃度:0.05 反応速度定数:比較実験から得られた パラメータの平均値 PCRの限界:100サイクル 28回遷移までは観測できる 遷移回数の上限をシミュレータで調べた 相対濃度 29状態 シミュレーション 0 0.025 0.05 0.075 0.1 0 20 40 60 80 100 120 PCRサイクル 相対濃度 状態0 状態5 状態10 状態15 状態20 状態25 状態28 観測限界 0 1 2 n n 回遷移 相対濃度 29状態 シミュレーション 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 20 40 60 80 100 120 PCRサイクル 相対濃度 状態0 状態5 状態10 状態15 状態20 状態25 状態28 観測限界
  13. 13. 結論 ST PCR Modelについて状態分子の濃度変化シミュレータ を化学反応速度論を導入して構築 シミュレータと化学実験の比較から反応がほぼ計算モデ ルにしたがって進んでいると考えられる シミュレータから現在の化学反応系における状態遷移の 上限を予測

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