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DNAリレーショナルデータベースの開発とデータ操作に関する研究 Development of DNA Relational Database and Data Manipulation Experiments

複雑系工学講座調和系工学研究室

修士2年北豊

背景

個人の遺伝情報の取り扱いが問題になる

information tag

ゲノム：生物のもつ遺伝情報遺伝子発現プロファイル解析 SNPsプロファイル解析

DNA分子の状態のまま，データベースとして利用する Biomolecular Database System [Reif et al 2002]

ATGCGACCCCGAATCGAAT…

ゲノムデータベース

convert electronic data ATGCTTGAT…

synthesis DNA

… …

…

…

…

…

… …

性別年齢遺伝子 001 002 003

666 …

名前性別年齢遺伝子

002 003

集合的に操作できるDNAリレーショナルモデルが有効

DNAリレーショナルデータベースの必要要件

1. データの表現方法 2. 関係代数の実現 3. データに対する問い合わせ 4. 化学実験によるエラー 5. 実験操作の実行時間 6. 表現可能データサイズ

1. モデルの提案 2. 実験操作の対応付け 3. 関係代数の組み合わせ動作 4. SQLを利用した理論的考察 5. SQLを利用した理論的考察

6. DNA配列数に基づく考察

先行研究化学実験による検討 [Arita el al 1997]

理論的モデルによる検討 [Katsányi 2003]

目的：必要要件を満たしたDNAリレーショナルデータベースの開発

提案データモデルと関係演算の実装方法




提案データモデルと関係演算の実装方法

属性 Ai

タプル tj

試験管 U リレーション R

一本鎖DNA分子

1つのデータを1つのDNA分子で表現する

関係代数化学実験での実装方法

和(Union) mix solutions

差(Difference) affinity separation

射影(Projection)

選択(Selection)

PCR

直積(Cartesian Product) ST-PCR [Hashimoto et al 2003]

3’ 2A )3(

2v 3ID5’

AACCTCCCCACACAAC

A: 属性 v: 属性値 t: タプル ID: タプルの情報

化学実験による独立な各関係代数の化学実験

での実装

提案データモデル

関係演算の実装

1A 2A 3A4A

1t

2t

3t

4t

1A 2A 3A4A

1t

2t

3t

4t

問い合わせの実行例

SQLによる問い合わせ

SELECT 列 1, 列 3

FROM 表 1

WHERE 条件1 or 条件2

1A 2A 3A4A

1t

2t

3t

4t

1A 2A 3A4A

1t

2t

3t

4t


目的の行の分子を抽出する選択の演算

SELECT 列 1, 列 3

FROM 表 1


条件に合致したタプルを選択する

1A 2A 3A4A

2t

4t

1A 2A 3A4A

2t

4t


SELECT 列 1, 列 3

FROM 表 1


SELECT 列 1, 列 3

FROM 表 1


1A 2A 3A4A

2t

4t

1A 2A 3A4A

2t

4t


目的の列の分子を抽出する射影の演算

1A 3A

2t

4t

1A 3A

2t

4t

SELECT 列 1, 列 3

FROM 表 1



SQLの実験操作への変換




SQL

SELECT 列名 1, 列名 2, … , 列名 n

FROM 表 1, 表 2, … , 表 m

WHERE [探索条件]

),...,(

),(

)(

),,(

)...,,(

1

1

k

k

UUMerge

SUGet

UCollectID

REFWUAmplify

UUUDivide

DNA computational model(DCM)

…溶液を希釈，分注

…増幅反応を行う

…ID情報を取得する

…配列を抽出する

…溶液を混合する変換コスト O(N2)

converter

実験操作列からの考察

PCR

total

pcr

chip

unique

Chip

affinity

unique

affinitytotalC

LT

C

LT

C

LTT )()1(

属性数，タプル数に依存しない

実行時間

k-DNF

k回連続PCR

リテラル数に対して線形増加

配列長配列数

実験に使用した配列 16 64

正規直交配列 23 300

使用するDNA分子の長さや配列設計を工夫することでサイズアップは可能

キャパシティ

化学実験のエラー

エラーの伝播が起こりにくい

… …

… …

… Ttotal

SQL ⇒ 実験操作列

連続PCRのエラー解析過去のエラーを排除可能

混合操作でのエラー解析目的，非目的DNAの割合は変化しない

化学実験による実証実験




実験の目的 • 提案手法が適切に動作することの実証 • 関係代数の各演算が実行可能であることの実証 • 各関係演算で組み合わされる問い合わせの実証

name gender diagnosis

A male positive

B female negative

C male negative

1t

2t

3t

1A 2A 3AR

SELECT *

FROM patient

WHERE gender = ‘male’

AND diagnosis = ‘negative’

SQL


C male negative

導出表

)(:'

),,(:

),,(:

),(

)(:),(:

),(:),,(:

),,(

4

234

133

3

2211

2211

21

SSeparateU

FFWSAmplifyS

FFWUAmplifyS

UUDivide

SCollectIDFSCollectIDF

sUGetSsUGetS

UUUDivide

negativemale

DCM

導出結果

3t

初期溶液：1分子の長さ48塩基

1t

2t

3t

化学実験による検証実験

Converter

40

60 80

100 20bp

48

1A 2A3A

1t 2t 3t 1t 2t 3t 1t 2t 3t

データベースへの具体的な問い合わせに成功


C male negative 導出表

3t

導出結果 C male negative

10% PAGE 200V 35min

導出結果の確認

1t

2t

3t

まとめ

DNA分子によるリレーショナルデータベースの開発

データモデルの提案と各関係代数に対する化学実験での実装方法の提案と実験による検証

化学実験によるデータベースへの問い合わせの実現

関係代数の組み合わせによる問い合わせに対する計算機による解析と化学実験での実証

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