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takahashi m

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  1. 1. DNAヘアピンを用いた 書き込み可能メモリの実現と 計算への適用に関する研究 複雑系工学講座 調和系工学研究室 高橋 直人
  2. 2. 背景 : アクエアスコンピューティング  アクエアスアルゴリズム  アクエアスコンピューティングに適用される分子メモリ CEL, CDL Writing [Head, 1999, 2000] PNA Writing [Yamamura, 2002] 011 001 010 100 011 011 101 101 111 111 111 111 SetToZero(A) SetToZero(B) SetToZero(A) SetToZero(C) 011 011 101 101 011 001 010 100 split(2) split(2)mix mix ABC MaxCountOfOnesInitialize A B C G 最大独立集合問題 ※メモリ分子が溶液に溶け込んでいることで解決  必要な機能 ・ アドレスとbitデータの表現 ・ データ書き込み(1→0変更) ・ メモリ分子相互の不干渉 ・ 構成比率を保ったままの分割 ・ 均一な状態への混合 A BC 111 110 A B 011 A A C 000 B  書き込み処理に長時間を要する  反応効率(書き込み成功率)が低い 問題サイズに対し線形オーダーの操作回数で指数的に増える解候補を作成(NP-hard)
  3. 3. DNAヘアピンを用いた書き込み可能メモリを実現し アクエアスコンピューティングへ適用する 目的
  4. 4. 提案手法 : DNA Hairpin-based RAM(DNA-HRAM)  DNAヘアピン  DNA-HRAMの利点 5’ 3’ 5’ 3’ opener hairpin Closed : 1 Open : 0  書き込み処理(ヘアピンのOpening)に要する時間が数秒から数分程度と短い  反応温度やopener濃度などの調整により反応効率を100%に近付けられる  DNA以外の材料を必要としない  opener形状の柔軟性 5’3’ ヘアピン型opener 10 10 DNA Hairpin-based RAM DNA-HRAM ヘアピンの開閉構造でbitを表現 hA hB hC hD oA oB oC oD  Multi-bit DNA-HRAM 10 10 7 10 10 10 13 10 ( : 5’ リン酸基)
  5. 5. magnetic bead 実験 : bit状態の維持  混合時における問題  余剰openerの除去 0111 0111 1011 1011 1111 1111 1111 1111 SetToZero(A) SetToZero(B) 0111 0111 1011 1011 split(2) mix A B C D open(A) open(B) ABCD oA oB 4-bitH opener cover o+c H+o H+o+c 除去後 cover ( : 5’ ビオチン) 回収 openerを部分相補鎖(cover)に 結合させてmagnetic beadで分離
  6. 6. 実験 : アクエアスコンピューティングの実行 Mix-0 Split-1-openA Split-1-openB Mix-1 Split-2-openA Split-2-openC Mix-2 Split-3-openA Split-3-openD Mix-3 0111 0011 0101 0001 0110 0010 0100 1000 0111 0111 0011 0011 0101 0101 1001 1001 0111 0111 0111 0111 1011 1011 1011 1011 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 Mix-0 Mix-1 Mix-2 Mix-3 Split-1-open A open(A) open(B) open(A) open(A) open(C) open(D) 0111 0111 0111 0111 1011 1011 1011 1011 0111 0111 0011 0011 0101 0101 1001 1001 0111 0011 0101 0001 0110 0010 0100 1000 split(2) split(2) split(2)mix mix mix Split-1-open B Split-2-open A Split-2-open C Split-3-open A Split-3-open D A B C G 最大独立集合問題 D 0110 0111 0100 0101 0011 0010 1000 0001 ヘアピン型opener を用いた実験結果 基本型opener を用いた実験結果 (NP-hard)
  7. 7. 実験 : 実行結果 0111 0011 0101 0001 0110 0010 0100 1000 0111 0111 0011 0011 0101 0101 1001 1001 0111 0111 0111 0111 1011 1011 1011 1011 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 Mix-0 Mix-1 Mix-2 Mix-3 Split-1-open A open(A) open(B) open(A) open(A) open(C) open(D) 0111 0111 0111 0111 1011 1011 1011 1011 0111 0111 0011 0011 0101 0101 1001 1001 0111 0011 0101 0001 0110 0010 0100 1000 split(2) split(2) split(2)mix mix mix Split-1-open B Split-2-open A Split-2-open C Split-3-open A Split-3-open D 0110 0111 0100 0101 0011 0010 1000 0001  混合後もそれぞれのbit状態を維持できている (多状態のメモリ分子が混在しても互いに干渉していない)  DNA-HRAMの計算能力を示すことができた
  8. 8. 実験 : 最適解の検出  bit状態を相補鎖長へ変換 ( : 5’ リン酸基) filler 268 221 174 127 80 相補鎖長 結果 Marker 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 268 127 bit 1 の数 0 1 2 3 4 0111 0011 0101 0001 0110 0010 0100 1000 Mix-3  最適解の検出に成功した 変性ゲル電気泳動 (一本鎖の長さによる分離)
  9. 9. まとめ  線形オーダー回数の操作によるNP-hard問題の解決を,実際の実験により示す ことができた  これを先行研究よりも短時間かつ低エラーで実行できるDNA-HRAMを実現した  DNAの“構造”を“長さ”に変換する手法を確立した  本研究の成果  今後の課題  Opening,余剰openerの除去,最適解検出における連結反応など,各種反応の 更なる効率向上を図り,それらの結果からLarge-bit化への指針を得る  DNAヘアピンに関する蓄積された技術や経験を活かし,新たな応用へ発展させる 問題サイズ N Nに対し線形オーダー 回数の実験操作 指数オーダーの 解候補数 kN Nに対し線形オーダー 回数の実験操作 最適解

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