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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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．