DNAナノテクノロジー：再プログラム可能なDNA自己集合を用いる多様かつロバストな分子アルゴリズム
Nature 567, 7748 doi: 10.1038/s41586-019-1014-9
分子生物学によって、化学系が情報を記憶し処理して分子活動（構成分子から複雑構造を組み立てるなど）を誘導できるという興味深い原理証明が行われている。情報に基づく化学を、物質をプログラムして生物系には見られない方式で機能させる技術として発展させるには、分子の相互作用がどのようにしてアルゴリズムをコードし実行し得るか理を解する必要がある。そうした研究には、比較的単純なユニットの自己集合による複雑生成物の形成が特に適している。数学的なタイリングと統計力学的な分子結晶化モデルを組み合わせた理論によって、アルゴリズム的振る舞いを分子の自己集合過程に組み込めることが示されており、最大22種類のタイルを使用するDNAナノテクノロジーを用いて実験的に実証されている。しかし、多くの情報技術には複雑性のしきい値（例えば汎用コンピューターに必要な最少トランジスター数など）があり、このしきい値を超えると再プログラム可能なシステムの能力が質的に向上するが、DNA自己集合の生物物理によってこのしきい値が超えられるのかは不明だった。今回我々は、355個の一本鎖タイルを含み、単純なタイル選択によって再プログラムしてさまざまな6ビットアルゴリズムを実行できるDNAタイルセットの設計と実験的検証について報告する。我々は、このセットを用いて21の回路を構築し、これらの回路で、コピー、ソート、回文認識、3の倍数認識、ランダムウォーク、バイアスを持つランダムなソースからのバイアスのない選択の取得、リーダー選出、セルオートマトンのシミュレーション、決定論的パターン形成、ランダム化パターン形成、63までの計数などのアルゴリズムを、全体のタイル当たりの誤り率3000分の1未満で実行した。こうした知見は、プログラム可能な化学系において分子自己集合が信頼性の高いアルゴリズム構成要素となり得ることを示唆している。高い抽象レベルで、従って基礎となる物理の知識を必要とせずに再プログラムできる分子機械を開発することで、分子プログラマーが活躍できる創造的空間が確立される。
