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

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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

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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

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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

．．．．

n4 通り

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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n4

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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n4

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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ΔG2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

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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

GI る分子内の二次構造によ1

× 分子間の結合の障害となる

I1高 低

非目的間の結合

目的間の結合

3. 目的間の結合が安定

GI 非目的間の2

GI 目的間の3

避ける必要がある

より安定である必要がある

I2高 低

I3高 低

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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

GI

GI

GI

IIIxE

目的間の

非目的間の

る分子内の二次構造によ

3

2

1

321

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

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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

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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

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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

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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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参考文献L.M.Adleman :“Molecular computation of solutions to combinatorial problems”Science, 266: 1021-1024, (1994)

Erik Winfree, Furong Liu, Lisa Wenzler and Nadrina C.Seeman:“Design and self-assembly of two-dimensional DNA crystals”Nature, Vol 394, 539-544 (1998)

Nadrian C. Seeman:“DeNovo Design of Sequence for Nucleic Acid Structure Engineering”Journal of Biomolecular Structure & Dynamics, ISSNO739-1102, vol8, (1990)

Hao Yan, Liping Feng, Thomas H. LaBean, John H. Reif:“Parallel Molecular Computations of Pairwise Exclusive-Or (XOR) Using DNA “String Tile” Self-Assembly”J.Am.Chem.Soc, Vol.125(47), pp.14246-14247, (2003)

Bryan Wei, Zhengyu Wang, Yougli Mi:“A de novo DNA sequence generation computer software for DNA self-assembly”DNA12 ,(2006)

Naoki Iimura, Masahito Yamamoto, Fumiaki Tanaka, Atsushi Kameda, Azuma Ohuchi:“Sequence Design for Stable DNA tiles”DNA12, (2006)

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各項の分布

I1 の分布 I2 の分布

I3 の分布 E の分布