JP2000353156A - Method for obtaining solution of np-complete problem - Google Patents

Method for obtaining solution of np-complete problem

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JP2000353156A
JP2000353156A JP11165114A JP16511499A JP2000353156A JP 2000353156 A JP2000353156 A JP 2000353156A JP 11165114 A JP11165114 A JP 11165114A JP 16511499 A JP16511499 A JP 16511499A JP 2000353156 A JP2000353156 A JP 2000353156A
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solution
variables
variable
dna
hairpin structure
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JP11165114A
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Japanese (ja)
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Kensaku Sakamoto
健作 坂本
Masaki Hagitani
昌己 萩谷
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SENTAN KAGAKU GIJUTSU INCUBATI
Todai TLO Ltd
Original Assignee
SENTAN KAGAKU GIJUTSU INCUBATI
Center for Advanced Science and Technology Incubation Ltd
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
    • G06N3/12Computing arrangements based on biological models using genetic models
    • G06N3/123DNA computing

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a combination problem (NP-complete problem) for finding out a satisfactory solution from a huge number of combinations by a smaller number of processes by utilizing a condition that a DNA molecule forms a secondary structure. SOLUTION: In a node type Boolean expression (e.g. an expression for selecting each node from three variables) which is expressed by m variables (e.g. (a) to (f)) and n nodes (e.g. 1 to 10) and in which each of n nodes includes only m variables, each variable is expressed by a DNA molecule having 30 residues, for instance. Each node is peculiarly expressed by a base sequence of linkers connected to both end parts or one end part of a base sequence which represents variables. When DNA molecules to which linkers are attached are mixed with each other, these DNA molecules are mutually connected by oxygen and a product in which n DNA molecules are connected like a chain is generated. A solution can be obtained by removing DNA molecules forming a hairpin structure and not corresponding to the solution from the product.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、組み合わせ数が膨
大であって、解を見出すことが困難なNP完全問題(例
えば、節形式ブール式の充足可能性問題)を、DNA分
子を用いた分子生物学的手法によって解く方法に関す
る。
The present invention relates to an NP complete problem (for example, a satisfiability problem of a nodal Boolean expression) in which the number of combinations is enormous and it is difficult to find a solution. It relates to a method of solving by a biological technique.

【0002】[0002]

【従来の技術】DNA分子を用いて組み合わせ問題を解
くことは、例えば、「組み合わせ問題の解の分子的計
算」(Leonard M. Adleman、「サイエンス」第266巻
第1021〜1024頁、1994年11月11日)と
題した論文で提案されている。この論文では、組み合わ
せ問題(NP完全問題)の一例として、ハミルトン経路
問題が取り上げられている。具体的には、地点(0)〜
地点(6)の7つの地点があり、各地点間が、一方向ま
たは両方向に通行可能なように定められており、地点
(0)を出発点とし、地点(1)〜地点(5)の各々を
1度だけ経由して、終着点である地点(6)に到達でき
るかという問題である。
2. Description of the Related Art Solving combinatorial problems using DNA molecules is described, for example, in "Molecular Computation of Solutions of Combinatorial Problems" (Leonard M. Adleman, Science, Vol. 266, pp. 1021 to 1024, November 1994). On March 11). In this paper, the Hamiltonian path problem is taken as an example of the combination problem (NP complete problem). Specifically, point (0)-
There are seven points of point (6), and it is determined that each point can pass in one direction or both directions. Point (0) is the starting point, and points (1) to (5) The problem is whether it is possible to reach the end point (6) via each of them only once.

【0003】この問題を解くために、地点(0)〜地点
(6)の各々を、各地点に固有な20個の塩基をつなげ
た単鎖DNA分子として表している。また、各地点間の
通行可能な経路を、その経路の始点側の地点を表す単鎖
DNA分子の半分(10個の塩基)と、終点側の地点を
表す単鎖DNA分子の半分(10個の塩基)とをつなげ
た単鎖DNA分子に対して、相補性を有する単鎖DNA
分子として表している。そして、これらの地点及び経路
を表す単鎖DNA分子を調製した後、調製した全ての単
鎖DNA分子を混合すると、地点を表す単鎖DNA分子
のいくつかが、それらの地点間の経路を表す単鎖DNA
分子を当て木として組み合わさり、通行可能な経路を表
す種々のDNA分子が生成する。
[0003] In order to solve this problem, each of the points (0) to (6) is represented as a single-stranded DNA molecule in which 20 bases unique to each point are connected. In addition, a traversable route between each point is defined as a half (10 bases) of a single-stranded DNA molecule representing a point on the starting point side of the route and a half (10 bases) of a single-stranded DNA molecule representing a point on the ending point side of the route. Single-stranded DNA complementary to the single-stranded DNA molecule linked to
Expressed as a molecule. Then, after preparing single-stranded DNA molecules representing these points and routes, and mixing all the prepared single-stranded DNA molecules, some of the single-stranded DNA molecules representing the points represent the routes between those points. Single-stranded DNA
The molecules combine as battens to produce various DNA molecules that represent traversable pathways.

【0004】これらのDNA分子の中から、まず、出発
点が地点(0)で、終着点が地点(6)であるものを、
PCR法によって増幅させて選び出した後、出発点と終
着点の間に5つの地点を通過しているもの(換言すれ
ば、140塩基対の長さをもつもの)を、ゲル電気泳動
法によって分離、精製する。さらに、地点(1)〜地点
(5)の全てを通過しているものを、地点(1)〜地点
(5)を表すDNA分子と相補的な配列をもつオリゴマ
ーとのハイブリダイゼーションによって、順次選び出
す。このとき、それぞれのオリゴマーは、マグネチック
・ビーズに結合させておくことで、ハイブリッドを形成
したDNA分子を容易に選別することができる。このよ
うにして、充足解を得ている。
[0004] Of these DNA molecules, the one whose starting point is point (0) and whose ending point is point (6) is
After amplification and selection by the PCR method, those that have passed through five points between the starting point and the ending point (in other words, those having a length of 140 base pairs) were separated by gel electrophoresis. And purify. Further, those passing through all of the points (1) to (5) are sequentially selected by hybridization with an oligomer having a sequence complementary to the DNA molecule representing the points (1) to (5). . At this time, by binding each oligomer to magnetic beads, a DNA molecule that has formed a hybrid can be easily selected. In this way, a satisfactory solution has been obtained.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記論文に記載された
技術においては、ハミルトン経路問題を構成する条件の
一部(地点及び経路)のみが、DNA分子の塩基配列と
いう形でコード化されており、問題の全体が全てコード
化されているわけではない。すなわち、出発点を地点
(0)とし、終着点を地点(6)とする条件や、各地点
を1度だけ経由するという条件等は、コード化されてい
ない。このため、地点や経路を表すDNA分子を混合し
た後に、問題の各条件を満たすものを選択すべく、条件
毎に種々の操作を行なう必要がある。本発明は、膨大な
組み合わせ数の中から充足解を見つけ出す組み合わせ問
題(NP完全問題)を、DNA分子が二次構造を形成す
ることを利用して、より少ない工程で解くことを目的と
する。
In the technique described in the above article, only some of the conditions (points and routes) constituting the Hamiltonian pathway problem are encoded in the form of the base sequence of a DNA molecule. Not all problems are coded. In other words, the conditions for setting the starting point at the point (0) and the ending point at the point (6), the condition of passing through each point only once, and the like are not coded. For this reason, after mixing DNA molecules representing points and routes, it is necessary to perform various operations for each condition in order to select one satisfying each condition in question. An object of the present invention is to solve a combination problem (NP complete problem) for finding a satisfactory solution from an enormous number of combinations using fewer steps by utilizing the fact that a DNA molecule forms a secondary structure.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明のNP完全問題の
充足解を得る方法は、NP完全問題を、塩基配列が互い
に異なる複数種のDNA分子にコード化して表す工程
と、上記複数種のDNA分子を混合して、DNA分子同
士を反応させることによって、自律的に演算を行なわせ
る工程と、該DNA分子同士の反応の生成物の中から、
問題の解に相当する生成物と、問題の解に相当しない生
成物を分離させる工程とを含むことを特徴とする(請求
項1)。このように問題式をDNA分子にコード化して
表すことによって、複数種のDNA分子の混合以外の他
の操作を必要とせずに、問題の解に相当する生成物と、
問題の解に相当しない生成物とを得ることができる。上
記問題の解に相当しない生成物は、例えば、いくつかの
塩基対によって構成されるヘアピン構造を有するものと
して生成させることができる(請求項2)。
According to the present invention, there is provided a method for obtaining a satisfactory solution to the NP complete problem, comprising the steps of encoding and representing the NP complete problem in a plurality of types of DNA molecules having different base sequences from each other; Mixing the DNA molecules and causing the DNA molecules to react with each other to perform the operation autonomously; and, from among the products of the reaction between the DNA molecules,
A step of separating a product corresponding to the solution of the problem and a product not corresponding to the solution of the problem (claim 1). By expressing the problem formula in a DNA molecule in this way, a product corresponding to the solution of the problem can be obtained without requiring other operations other than the mixing of a plurality of types of DNA molecules,
A product that does not correspond to the solution of the problem can be obtained. A product that does not correspond to the solution of the above problem can be produced, for example, as having a hairpin structure composed of several base pairs (claim 2).

【0007】本発明の具体的な実施形態の例としては、
「m個の変数とn個の節(ただし、m、nは各々、2以
上の正の整数である。)によって表され、当該n個の節
の各々が、上記m個の変数のみを含む節形式ブール式充
足可能性問題において、上記m個の変数の各々を表す手
段として、DNA分子を用い、かつ、当該DNA分子
は、変数毎に塩基配列が異なるとともに、変数相互間ま
たは変数自身の中でヘアピン構造を形成しないような塩
基配列となっており、上記n個の節の各々を表す手段と
して、上記変数を表すDNA分子の両端部又は一端部に
接続されるリンカーを用い、かつ、当該リンカーは、隣
接する節のリンカーに対してのみ相補性を有するように
構成されており、上記DNA分子に上記リンカーを接続
させて、「変数−リンカー」DNA分子を得た後、当該
「変数−リンカー」DNA分子を混合して、n個のDN
A分子が鎖状に連なった生成物を得て、その後、当該生
成物の中から、ヘアピン構造を形成した生成物を排除す
ることによって、上記節形式ブール式の充足解に相当す
る生成物のみを得る、上記節形式ブール式充足可能性問
題の充足解を得る方法。」を挙げることができる(請求
項3)。ここで、上記ヘアピン構造を形成した生成物の
排除は、制限酵素によってヘアピン構造を切断する工程
と、PCR法によって、ヘアピン構造を有しない生成物
のみを増幅させる工程とからなる方法によって行なうこ
とができる(請求項4)。
[0007] Examples of specific embodiments of the present invention include:
"Represented by m variables and n clauses (where m and n are each a positive integer of 2 or more), and each of the n clauses includes only the m variables. In the clause-type Boolean satisfiability problem, a DNA molecule is used as a means for expressing each of the m variables, and the DNA molecule has a different base sequence for each variable, and a variable between the variables or the variable itself. It is a base sequence that does not form a hairpin structure in it, and as a means for representing each of the n nodes, a linker connected to both ends or one end of the DNA molecule representing the variable, and The linker is configured to have complementarity only to the linker of the adjacent node, and after connecting the linker to the DNA molecule to obtain a “variable-linker” DNA molecule, -Linker " A mixture of NA molecules, n pieces of DN
A product in which the A molecules are linked in a chain is obtained, and then, by eliminating the products that have formed a hairpin structure from the products, only the products corresponding to the satisfaction of the above-mentioned Boolean expression are obtained. To obtain a satisfactory solution of the above clause-form Boolean satisfiability problem. (Claim 3). Here, the removal of the product having formed the hairpin structure can be performed by a method comprising a step of cutting the hairpin structure with a restriction enzyme and a step of amplifying only the product having no hairpin structure by a PCR method. (Claim 4).

【0008】また、本発明の方法は、非常に多くの節を
有するブール式にも適用することができる。すなわち、
m個の変数とn×p個の節(ただし、m、n、pは各
々、2以上の正の整数である。)によって表され、当該
n×p個の節の各々が、上記m個の変数のみを含む節形
式ブール式において、当該節形式ブール式をn個の節を
含むp個の群に分割して、第1群から第p群までを定め
た後、上記NP完全問題の解を得る方法を、第1群から
第p群まで、前の群の充足解に相当する生成物を後の群
に加えていくようにして順次適用し、最終的に第p群に
おいて節形式ブール式の充足解を得ることが可能である
(請求項5)。
[0008] The method of the present invention can also be applied to Boolean expressions having a large number of clauses. That is,
m variables and n × p clauses (where m, n, and p are each a positive integer of 2 or more), and each of the n × p clauses is the m After dividing the clause-form Boolean expression into p groups including n clauses and defining the first to p-th groups, the above NP complete problem The method for obtaining the solution is applied sequentially from the first group to the p-th group in such a manner that the product corresponding to the satisfactory solution of the previous group is added to the latter group, and finally the node form in the p-th group It is possible to obtain a Boolean satisfying solution (claim 5).

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体例に基づいて
説明する。まず、NP完全問題の一例である節形式ブー
ル式について説明する。簡単な節形式ブール式として、
F=(aまたはb)かつ(!aまたは!c)を例にと
る。上記式中、「!a」と「!c」は各々、「a」と
「c」の否定を表す。aや!aなど、変数又は変数の否
定をリテラルと呼ぶ。また、式の一部である(aまたは
b)と(!aまたは!c)を節と呼ぶ。上記式を簡略化
して、F=(a+b)(!a+!c)のように表す。節
形式ブール式の充足解の候補は、各々の節からリテラル
を一つずつ選び並べたものであり、上記式の充足解の候
補は、a・!a、a・!c、b・!a、b・!cの4つ
である。この中で、a・!aは、a(肯定)であって、
!a(否定)でもあるという矛盾した組み合わせを表
し、充足解ではない。したがって、充足解は、a・!
c、b・!a、b・!cの3つである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples. First, a clause type Boolean expression which is an example of the NP complete problem will be described. As a simple clause Boolean expression:
Take F = (a or b) and (! A or! C) as an example. In the above formula, “! A” and “! C” represent negation of “a” and “c”, respectively. a! A variable or negation of a variable, such as a, is called a literal. Also, (a or b) and (! A or! C) that are part of the expression are called clauses. The above equation is simplified and expressed as F = (a + b) (! A +! C). Candidates for satisfying solutions of clause type Boolean expressions are ones in which literals are selected and arranged one by one from each clause. a, a! c 、 b ・! a, b ...! c. Among them, a! a is a (affirmative),
! It represents an inconsistent combination that is also a (negative), and is not a satisfactory solution. Therefore, the satisfaction solution is a!
c 、 b ・! a, b ...! c.

【0010】本発明は、m個の変数とn個の節を有する
節形式ブール式充足可能性問題を、DNA分子を用いて
以下のような手法で解くものである。まず、m個の変数
の各々を、変数毎に異なる特異的な塩基配列によって表
す。また、n個の節の各々を、変数を表す塩基配列(本
明細書中で「変数配列」ともいう。)の両端部(第2節
〜第(n−1)節)、または一端部(第1節及び第n
節)に接続されるリンカーによって表す。ここで、n個
の節の各々は、節毎に異なる特異的な塩基配列で表すも
のとする。リンカーに対応する塩基配列は、同じリンカ
ー同士で結合しないように、回転対称でない塩基配列と
なるように配列を定める。
The present invention solves a clause type Boolean satisfiability problem having m variables and n clauses using a DNA molecule in the following manner. First, each of the m variables is represented by a specific base sequence that differs for each variable. In addition, each of the n nodes is defined by both ends (sections 2 to (n-1)) or one end of a base sequence (also referred to as “variable sequence” in the present specification) representing a variable. Sections 1 and n
Section). Here, each of the n nodes is represented by a specific base sequence that differs for each node. The base sequence corresponding to the linker is determined so that the base sequence is not rotationally symmetric so as not to bond with the same linker.

【0011】変数の否定を表す塩基配列は、その変数配
列に対して相補的な配列によって表す。節と変数の組み
合わせは、ブール式に表現されているだけの数が存在す
る。例えば、各節が3個の変数を含むならば、3×n個
の組み合わせが存在する。これらの変数と節の組み合わ
せは、変数配列と、その両端部または一端部に接続され
るリンカーの組み合わせによって網羅される。ここで、
第1節から選ばれる変数は、5’末端側に、リンカーの
代わりにPCRのプライマー結合部位の塩基配列を持
つ。第n節から選ばれる変数は、3’末端側に、リンカ
ーの代わりにPCRのプライマー結合部位の塩基配列を
持つ。
A base sequence representing a negation of a variable is represented by a sequence complementary to the variable sequence. There are as many combinations of clauses and variables as there are Boolean expressions. For example, if each clause contains three variables, there are 3 × n combinations. The combination of these variables and clauses is covered by the combination of the variable sequence and the linker connected to both ends or one end thereof. here,
The variable selected from the first section has a base sequence of a PCR primer binding site instead of a linker at the 5 ′ end. The variable selected from section n has the base sequence of the PCR primer binding site instead of the linker at the 3 ′ end.

【0012】このように変数と節に対応する塩基配列を
定めた後、変数配列とその相補配列からなる二重鎖DN
Aを用意する。このDNA分子の5’末端を延長して一
本鎖部分を形成する。この一本鎖部分には、リンカーの
配列を充てる。ここで、変数配列とリンカーの組み合わ
せは、上記のように所与のブール式によって指示される
ものである。上記DNA分子の5’末端はリン酸基を持
つ。3’末端は水酸基を持つ。このようなDNA分子
は、2本のオリゴヌクレオチドをアニールすることで容
易に得ることができる。
After the base sequences corresponding to the variables and the nodes are determined in this manner, the double-stranded DN consisting of the variable sequence and its complementary sequence
Prepare A. The 5 'end of the DNA molecule is extended to form a single-stranded portion. This single-stranded portion is filled with a linker sequence. Here, the combination of the variable sequence and the linker is indicated by a given Boolean expression as described above. The 5 'end of the DNA molecule has a phosphate group. The 3 'end has a hydroxyl group. Such a DNA molecule can be easily obtained by annealing two oligonucleotides.

【0013】上記DNA分子を混合し、ライゲーション
反応を行なうと、リンカー部分で互いに連結し、n個の
DNA分子が一列に連結した生成物が得られる。ここで
生成するのは、複数の異なる塩基配列を持つDNA分子
の混合物である。例えば、各節が3個の変数を含むなら
ば、3のn乗種類のDNA分子が得られる。これらのD
NA分子は、いずれも、第1節から第n節までの各節か
ら1つずつの変数を、この順序で連結したものになって
いる。
When the above-mentioned DNA molecules are mixed and subjected to a ligation reaction, a product is obtained in which n DNA molecules are linked in a line by linking them at a linker portion. What is produced here is a mixture of DNA molecules having a plurality of different base sequences. For example, if each clause contains three variables, 3 n powers of DNA molecules are obtained. These D
In each of the NA molecules, one variable from each of the first to nth sections is connected in this order.

【0014】上記ライゲーション反応の生成物は、ブー
ル式によって表現されている、各節からの選び出し方の
全ての場合を含んでおり、また、ブール式と矛盾するよ
うな選び出し方を含まない。生成物は、複数種のDNA
分子が混合された状態のまま、PCR反応によって増幅
される。このとき、プライマーのいずれか一方は、5’
末端に化学的な官能基が結合したものを用いる。この官
能基は、固相担体と強く結合する性質をもつ。PCR増
幅したDNA分子は、いずれか一方の5’末端を介して
固相に結合させ、続いて変性されることによって、1本
鎖の形に変換される。1本鎖化されたDNA分子は、固
相にしっかり結合しているために、分子間では相互作用
することがない。
The products of the above ligation reactions include all cases of selection from each clause, expressed by Boolean expressions, and do not include selection methods that contradict Boolean expressions. The product contains multiple types of DNA
The molecules are amplified by a PCR reaction in a mixed state. At this time, one of the primers is 5 ′
One having a chemical functional group bonded to the terminal is used. This functional group has a property of strongly binding to the solid support. The PCR-amplified DNA molecule is converted to a single-stranded form by binding to a solid phase via either 5 ′ end and subsequent denaturation. Since the single-stranded DNA molecule is firmly bound to the solid phase, there is no interaction between the molecules.

【0015】1本鎖DNA分子内で、ある変数について
肯定と否定の両方を含むものは、分子内相互作用によっ
てヘアピン構造を形成する。このヘアピン構造において
は、ある変数配列(変数を表す塩基配列)とその否定の
配列がアニールして、二重鎖を形成している。無関係な
変数配列同士のアニーリングを防ぐためには、その目的
にあった塩基配列を変数配列として用いなければならな
い。このような塩基配列のデザインのためのツールは、
すでに複数の研究グループで開発され、報告されてい
る。
[0015] Within a single-stranded DNA molecule, one that contains both positive and negative for a variable forms a hairpin structure by intramolecular interaction. In this hairpin structure, a certain variable sequence (base sequence representing a variable) and its negative sequence are annealed to form a double strand. In order to prevent annealing of unrelated variable sequences, a base sequence suitable for the purpose must be used as the variable sequence. Tools for designing such base sequences are:
It has already been developed and reported by several research groups.

【0016】ヘアピン構造を形成するDNA分子を取り
除くために、以下の2通りの操作を行なう。第一に、変
数配列とその相補配列によって形成された二重鎖が、制
限酵素による切断を受けられるように、変数配列の中央
の数残基を制限酵素部位に充てておく。制限酵素によっ
て切断されたDNA分子は、上記のプライマーを用いた
PCR反応によって増幅されることはない。
In order to remove the DNA molecules forming the hairpin structure, the following two operations are performed. First, a few residues in the middle of the variable sequence are reserved for restriction enzyme sites so that the duplex formed by the variable sequence and its complementary sequence can be cleaved by the restriction enzyme. The DNA molecule cleaved by the restriction enzyme is not amplified by a PCR reaction using the above primers.

【0017】第二に、DNAポリメラーゼの性質を利用
する方法である。この酵素は、ヘアピン構造の二重鎖内
に侵入してDNAを合成することができないので、二重
鎖の手前で合成が停止する。このため、ヘアピン構造を
とっているDNA分子は、PCRによって増幅されな
い。
The second is a method utilizing the properties of DNA polymerase. Since this enzyme cannot penetrate into the double strand of the hairpin structure and synthesize DNA, synthesis stops before the double strand. Therefore, a DNA molecule having a hairpin structure is not amplified by PCR.

【0018】以上の2通りの方法を組み合わせて、ヘア
ピン構造をとるDNA分子を除去し、直鎖状のDNA分
子を濃縮することができる。このようにして濃縮された
DNA分子をクローニングして、塩基配列を決定するこ
とによって、どの変数についても肯定・否定の矛盾を含
まないような変数の選び出し方を得ることができる。こ
れらの選び出し方において、各変数が肯定と否定のどち
らに選ばれているかを読み取ることで、充足解を得るこ
とができる。この作業は、節の数に比例した手間で行な
えるので、非常に容易である。
By combining the above two methods, a DNA molecule having a hairpin structure can be removed and a linear DNA molecule can be concentrated. By cloning the DNA molecule thus concentrated and determining the base sequence, it is possible to obtain a method of selecting a variable that does not include contradiction of affirmative / negative for any variable. In these selection methods, a satisfactory solution can be obtained by reading whether each variable is selected as positive or negative. This operation is very easy because it can be performed with a time proportional to the number of nodes.

【0019】[0019]

【実施例】以下、本発明を実施例(実験例)に基づいて
説明する。実施例では、次の節形式ブール式Gの解を得
ることを目的とする。 G=(a+b+!c)(a+c+d)(a+!c+!
d)(!a+!c+d)(a+!c+e)(a+d+!
f)(!a+c+d)(a+c+!d)(!a+!c+
!d)(!a+c+!d) ここで、「a」〜「f」のアルファベットは、変数を表
し、「a」〜「f」のアルファベットの左側に「!」を
付したものは、「!」を付していないものの否定を表
す。「()」は節を表し、節の中の「+」は「または」
を表し、節と節との間は「かつ」の関係にある。各変数
は「0」または「1」の値をとることができる。ある変
数が「1」のとき、その否定は「0」であり、変数が
「0」のときには、その否定は「1」である。
The present invention will be described below based on examples (experimental examples). In the embodiment, an object is to obtain a solution of the following clause type Boolean expression G. G = (a + b +! C) (a + c + d) (a +! C +!)
d) (! a +! c + d) (a +! c + e) (a + d +!)
f) (! a + c + d) (a + c +! d) (! a +! c +
! d) (! a + c +! d) Here, the alphabets of “a” to “f” represent variables, and those with “!” added to the left side of the alphabets of “a” to “f” are “!”. Represents the negation of what is not attached. "()" Indicates a clause, and "+" in the clause is "or"
And there is a “and” relationship between clauses. Each variable can take a value of “0” or “1”. When a certain variable is “1”, the negation is “0”, and when the variable is “0”, the negation is “1”.

【0020】例えば、各節から順次、「!c−a−!d
−!c−a−a−d−!d−!c−!d」のように選
び、a=1、c=0、d=1として、ブール式がどのよ
うな値になるかを計算すると、 「G=1×1×0×1×1×1×1×0×1×0=0」 となる。d=0としても、やはりG=0となる。
For example, from each section, "! Ca-! D
-! ca-a-d-! d-! c-! d ”, a = 1, c = 0, d = 1, and what the value of the Boolean expression will be. When G = 1 × 1 × 0 × 1 × 1 × 1 × 1 × 0 × 1 × 0 = 0 ”. Even if d = 0, G = 0.

【0021】ブール式の値が1になるように「a」〜
「f」の値を決めることができるかどうかを、このブー
ル式の充足問題と呼び、そのような「a」〜「f」の値
を充足解と呼ぶ。このブール式が充足可能であるかどう
かは、「どの変数についても肯定と否定の両方を選ばな
いようにして、各節から変数を選んでくることができる
かどうか」という問題と同値である。
"A" to "1" so that the value of the Boolean expression becomes 1.
Whether the value of “f” can be determined is called a Boolean satisfaction problem, and such values of “a” to “f” are called a satisfaction solution. Whether this Boolean expression is satisfiable is equivalent to the question, "Can we choose variables from each clause without choosing both positive and negative for any variable?"

【0022】式Gの各節から変数を選び出す場合の数
は、3の10乗(=59,049)通り存在する。この
問題では、そのうちの24通りだけが、正しい選び出し
方に相当する。そして、この24通りは、いずれも同じ
充足解に対応している。この例は、難しい問題ではない
が、G式の充足解が何であるかは、一見してわかるほど
易しくないので、本発明の有効性を検証するには適切な
問題である。この59,049通りの場合をDNA分子
で生成し、さらにDNA分子の二次構造を形成するとい
う性質に基づいて、これら全ての場合について同時にチ
ェックを行ない、最終的に解を得た。以下、その実験の
方法を具体的に説明する。
There are three 10th powers (= 59,049) in the case where variables are selected from each clause of the equation G. In this problem, only 24 of them correspond to correct selection. These 24 ways all correspond to the same satisfactory solution. Although this example is not a difficult problem, it is not easy to understand at a glance what the satisfaction solution of the G expression is, so it is an appropriate problem to verify the effectiveness of the present invention. Based on the property of producing 59,049 cases with a DNA molecule and further forming a secondary structure of the DNA molecule, all of these cases were checked at the same time, and finally a solution was obtained. Hereinafter, the method of the experiment will be specifically described.

【0023】各変数(a〜f)は、30塩基の配列によ
って表す。 a.TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCAT b.TTGGCATAAGTTGCCAGGCAGGAACTCCAT c.TTGGAACGTAGTACCAGGAGTCTCCTCCAT d.TTGGTGATACGGACCAGGCCTTCTTACCAT e.TTGGTTGCCCTCTCCAGGTGACTAATCCAT f.TTGGACTGCTCATCCAGGACTGAAGACCAT
Each of the variables (af) is represented by a sequence of 30 bases. a. TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCAT b. TTGGCATAAGTTGCCAGGCAGGAACTCCAT c. TTGGAACGTAGTACCAGGAGTCTCCTCCAT d. TTGGTGATACGGACCAGGCCTTCTTACCAT e. TTGGTTGCCCTCTCCAGGTGACTAATCCAT f. TTGGACTGCTCATCCAGGACTGAAGACCAT

【0024】変数を表すこれらの塩基配列の両端部また
は一端部に接続するリンカーは、次のように4塩基の配
列によって表す。なお、塩基配列の左方に表示された数
字n(n=1〜9)は、リンカー番号であり、第n節と
第(n+1)節の間のリンカーであることを示す。 1.CAGA 2.CTTC 3.GTGT 4.TCCT 5.ACTC 6.ATGC 7.TCAC 8.TTCG 9.GAAC
A linker connected to both ends or one end of these base sequences representing variables is represented by a four-base sequence as follows. The number n (n = 1 to 9) displayed on the left side of the base sequence is a linker number, and indicates that the linker is between the nth section and the (n + 1) th section. 1. CAGA 2. CTTC 3. GTGT 4. TCCT 5. ACTC 6. ATGC 7. TCAC8. TTCG 9. GAAC

【0025】第1節から選ばれる変数の5’末端側に、
リンカーの代わりに接続するプライマー結合部位(pbs
1)と、第10節から選ばれる変数の3’末端側に、リ
ンカーの代わりに接続するプライマー結合部位(pbs2)
は、次のようにそれぞれ20塩基の配列である。 pbs1: AGCGAGTGTTAACCCTGCCT pbs2: CGACTACGATATTCGCGCAG
At the 5 'end of the variable selected from section 1,
Primer binding site (pbs
1) and a primer binding site (pbs2) to be connected instead of a linker at the 3 'end of a variable selected from section 10
Is a sequence of 20 bases as follows. pbs1: AGCGAGTGTTAACCCTGCCT pbs2: CGACTACGATATTCGCGCAG

【0026】以上のコード化を図1に示す。図1中、第
1節は、「a」、「b」、「!c」のいずれかの変数を
表す塩基配列と、該塩基配列の一端(3’末端側)に連
結されるリンカー1(4つの塩基)とを有する塩基配列
として表される。第2節は、「a」、「c」、「d」の
いずれかの変数を表す塩基配列と、該塩基配列の一端
(5’−末端側)に連結されるリンカー1’と、該塩基
配列の他端(3’末端側)に連結されるリンカー2とを
有する塩基配列として表される。以下、第3節〜第10
節についても、同様である。なお、図1中、第1節の一
端に付くプライマー結合部位(pbs1)と、第10節の一
端に付くプライマー結合部位(pbs2)は、図示を省略し
ている。
The above coding is shown in FIG. In FIG. 1, the first section includes a base sequence representing any of the variables “a”, “b”, and “! C”, and a linker 1 (“3 ′ end”) linked to one end (3 ′ end side) of the base sequence. (4 bases). The second section includes a base sequence representing any of the variables “a”, “c”, and “d”, a linker 1 ′ linked to one end (5′-end side) of the base sequence, It is represented as a base sequence having a linker 2 linked to the other end (3 ′ end side) of the sequence. Hereinafter, Sections 3 to 10
The same applies to clauses. In FIG. 1, the primer binding site (pbs1) attached to one end of the first section and the primer binding site (pbs2) attached to one end of the tenth section are not shown.

【0027】上記のように変数と節を塩基配列によって
コード化した上で、変数配列(変数を表す塩基配列)の
両端部または一端部にリンカーが接続したDNA分子
(本明細書中で「変数−リンカー」DNA分子ともい
う。)を作製した。これらのDNA分子の作製に便利な
ように、連続した3〜4個の節から選んだ変数配列を、
ひとつづきのDNA分子として作製し、後で切り離す方
法をとった。そのような9つのDNA分子の配列を以下
に示す。実際には、このDNA分子は、二重鎖DNAで
あり、リンカー配列部位で酵素によって切断され、リン
カーが5’突出の一本鎖部分になるように設計されてい
る。
As described above, after coding the variables and clauses by the base sequence, a DNA molecule having a linker connected to both ends or one end of the variable sequence (base sequence representing the variable) (referred to as “variable -Linker "DNA molecule). To facilitate the production of these DNA molecules, a variable sequence selected from three to four consecutive nodes is
It was made as a series of DNA molecules and then cut off later. The sequences of nine such DNA molecules are shown below. In practice, this DNA molecule is a double-stranded DNA, which is designed to be cleaved by the enzyme at the linker sequence site so that the linker becomes a single-stranded portion of the 5 'overhang.

【0028】 DNA分子の配列 DNA1-1 (pbs1-a-1-c-2-!d-3) AGCGAGTGTTAACCCTGCCT-TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCAT-CAGA-TTGGAACGTAGTACC AGGAGTCTCCTCCAT-CTTC-ATGGTAAGAAGGCCTGGTCCGTATCACCAA-GTGT-TTGGACACAC DNA1-2 (3-!a-4-!c-5-a-6-d-7) ACACACCCAT-GTGT-ATGGCACTCGATCCTGGGTCTATCAACCAA-TCCT-ATGGAGGAGACTCCTGGTAC TACGTTCCAA-ACTC-TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCAT-ATGC-TTGGTGATACGGACCAGGCC TTCTTACCAT-TCAC-TTGGACACAC DNA1-3 (7-a-8-!d-9-!a-pbs2) ACACACCCAT-TCAC-TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCAT-TTCG-ATGGTAAGAAGGCCTGGTCC GTATCACCAA-GAAC-ATGGCACTCGATCCTGGGTCTATCAACCAA-CGACTACGATATTCGCGCAGSequence of DNA molecule DNA1-1 (pbs1-a-1-c-2-! D-3) AGCGAGTGTTAACCCTGCCT-TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCAT-CAGA-TTGGAACGTAGTACC AGGAGTCTCCTCCAT-CTTC-ATGGTAAGAAGGCCTGGTCCGTATCACCAA-GTGT-TTGGACACAC DNA1-2! -4-! C-5-a-6-d-7) ACACACCCAT-GTGT-ATGGCACTCGATCCTGGGTCTATCAACCAA-TCCT-ATGGAGGAGACTCCTGGTAC TACGTTCCAA-ACTC-TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCAT-ATGC-TTGGTGATACGGACCAGGCC TTCT-CATAC-TCAC-GG d-9-! a-pbs2) ACACACCCAT-TCAC-TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCAT-TTCG-ATGGTAAGAAGGCCTGGTCC GTATCACCAA-GAAC-ATGGCACTCGATCCTGGGTCTATCAACCAA-CGACTACGATATTCGCGCAG

【0029】 DNA2-1 (pbs1-b-1-a-2-!c-3) AGCGAGTGTTAACCCTGCCT-TTGGCATAAGTTGCCAGGCAGGAACTCCAT-CAGA-TTGGTTGATAGACCC AGGATCGAGTGCCAT-CTTC-ATGGAGGAGACTCCTGGTACTACGTTCCAA-GTGT-TTGGACACAC DNA2-2 (3-!c-4-e-5-d-6-!a-7) ACACACCCATGTGT-ATGGAGGAGACTCCTGGTACTACGTTCCAA-TCCT-TTGGTTGCCCTCTCCAGGTGA CTAATCCAT-ACTC-TTGGTGATACGGACCAGGCCTTCTTACCAT-ATGC-ATGGCACTCGATCCTGGGTCT ATCAACCAA-TCAC-TTGGACACAC DNA2-3 (7-c-8-!c-9-!d-pbs2) ACACACCCAT-TCAC-TTGGAACGTAGTACCAGGAGTCTCCTCCAT-TTCG-ATGGAGGAGACTCCTGGTAC TACGTTCCAA-GAAC-ATGGTAAGAAGGCCTGGTCCGTATCACCAA-CGACTACGATATTCGCGCAGDNA2-1 (pbs1-b-1-a-2-! C-3) AGCGAGTGTTAACCCTGCCT-TTGGCATAAGTTGCCAGGCAGGAACTCCAT-CAGA-TTGGTTGATAGACCC AGGATCGAGTGCCAT-CTTC-ATGGAGGAGACTCCTGGTACTACGTTCCAA-GTGT-TTGGACACAC DNA2-2 (3-! C-4-e -5-d-6-! A-7) ACACACCCATGTGT-ATGGAGGAGACTCCTGGTACTACGTTCCAA-TCCT-TTGGTTGCCCTCTCCAGGTGA CTAATCCAT-ACTC-TTGGTGATACGGACCAGGCCTTCTTACCAT-ATGC-ATGGCACTCGATCCTGGGTCT ATCAACCAA-TCAC-TTGGACAC-8 -pbs2) ACACACCCAT-TCAC-TTGGAACGTAGTACCAGGAGTCTCCTCCAT-TTCG-ATGGAGGAGACTCCTGGTAC TACGTTCCAA-GAAC-ATGGTAAGAAGGCCTGGTCCGTATCACCAA-CGACTACGATATTCGCGCAG

【0030】 DNA3-1 (pbs1-!c-1-d-2-a-3) AGCGAGTGTTAACCCTGCCT-ATGGAGGAGACTCCTGGTACTACGTTCCAA-CAGA-TTGGTGATACGGACC AGGCCTTCTTACCAT-CTTC-TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCAT-GTGT-TTGGACACAC DNA3-2 (3-d-4-a-5-!f-6-c-7) ACACACCCATGTGT-TTGGTGATACGGACCAGGCCTTCTTACCAT-TCCT-TTGGTTGATAGACCCAGGATC GAGTGCCAT-ACTC-ATGGTCTTCAGTCCTGGATGAGCAGTCCAA-ATGC-TTGGAACGTAGTACCAGGAGT CTCCTCCAT-TCAC-TTGGACACAC DNA3-3 (7-!d-8-!a-9-c-pbs2) ACACACCCATTCAC-ATGGTAAGAAGGCCTGGTCCGTATCACCAA-TTCG-ATGGCACTCGATCCTGGGTCT ATCAACCAA-GAAC-TTGGAACGTAGTACCAGGAGTCTCCTCCAT-CGACTACGATATTCGCGCAG (注)上記の塩基配列(「DNA1-1」〜「DNA3-3」)は、
連続した3〜4個の節から選んだ変数を一続きにコード
しているDNAの塩基配列を示す。塩基配列中のハイフ
ンは、リンカーと変数の境目を示す。「DNA1-1」等の右
方に記載した括弧内の表示は、塩基配列を変数とリンカ
ーの並び方に翻訳して示したものである。括弧内の数字
は、リンカー番号である。
DNA3-1 (pbs1-! C-1-d-2-a-3) AGCGAGTGTTAACCCTGCCT-ATGGAGGAGACTCCTGGTACTACGTTCCAA-CAGA-TTGGTGATACGGACC AGGCCTTCTTACCAT-CTTC-TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCAT-GTGT-TTGGACACAC DNA3-2 (3-d-4-a- 5-! F-6-c-7) ACACACCCATGTGT-TTGGTGATACGGACCAGGCCTTCTTACCAT-TCCT-TTGGTTGATAGACCCAGGATC GAGTGCCAT-ACTC-ATGGTCTTCAGTCCTGGATGAGCAGTCCAA-ATGC-TTGGAACGTAGTACCAGGAGT CTCCTCCAT-TCAC-TTGGACAC-d-7-a pbs2) ACACACCCATTCAC-ATGGTAAGAAGGCCTGGTCCGTATCACCAA-TTCG-ATGGCACTCGATCCTGGGTCT ATCAACCAA-GAAC-TTGGAACGTAGTACCAGGAGTCTCCTCCAT-CGACTACGATATTCGCGCAG (Note)
The base sequence of DNA encoding a variable selected from three to four consecutive nodes is shown. Hyphens in the base sequence indicate boundaries between linkers and variables. The notation in parentheses described on the right side such as “DNA1-1” is obtained by translating the base sequence into the arrangement of variables and linkers. The numbers in parentheses are the linker numbers.

【0031】塩基配列をリンカー部位で切り離すため
に、制限酵素BstXI (東洋紡社製)を用いた。この酵素
は、CCANNNNNNTGG配列部分(Nは、A、C、G、Tのいずれ
でもよい。)で二重鎖DNAを切断するので、リンカー
の前後には、それぞれCCAN、NTGG配列が接続する。な
お、各変数配列は、すでに、NTGGで始まり、CCANで終わ
るように設計済みである。制限酵素の反応は、制限酵素
に添付された緩衝液を用いて、45℃で18時間連続し
て行なった。
In order to cut off the nucleotide sequence at the linker site, a restriction enzyme BstXI (manufactured by Toyobo) was used. Since this enzyme cleaves double-stranded DNA at the CCANNNNNNTGG sequence portion (N may be any of A, C, G, and T), the CCAN and NTGG sequences are connected before and after the linker, respectively. Each variable array has already been designed to start with NTGG and end with CCAN. The reaction of the restriction enzyme was carried out continuously at 45 ° C. for 18 hours using a buffer attached to the restriction enzyme.

【0032】このようにして、30種類の「変数−リン
カー」DNA分子を得た。次に、これらのDNA分子
(全部で10pmol)をひとまとめにして、ライゲーション
反応(容量は0.006mL)を行なった。反応用緩衝液の組
成は、66mMのTris-HCl (pH 7.6)、6.6mMのMgCl2、10mM
のDTT、1mMのATPであり、用いた酵素は、T4 DNAリガー
ゼ(18ユニット)(宝酒造社製)であり、反応条件は1
6℃、90分間であった。10個の「変数−リンカー」
DNA分子が結合したものが、目的の生成物であるが、
実際にはもっと短いDNA分子も生じるので、ポリアク
リルアミドゲル電気泳動によって分離し、目的のDNA
分子だけをゲルから切り出して抽出した。このようにし
て、ブール式Gの全ての節から一つずつ変数を選び出す
ときの選び出し方を表現したDNA分子のプールが、1n
g得られた。1ngのDNAは、109個の分子を含むので、
平均すれば、各選び出し方について1万個以上のDNA
分子を含んでいることになる。したがって、とり得る選
び出し方の全てがこのプール内に含まれているといえ
る。
In this way, 30 "variable-linker" DNA molecules were obtained. Next, these DNA molecules (10 pmol in total) were put together and a ligation reaction (capacity: 0.006 mL) was performed. The composition of the reaction buffer is 66 mM Tris-HCl (pH 7.6), 6.6 mM MgCl 2 , 10 mM
DTT, 1 mM ATP, the enzyme used was T4 DNA ligase (18 units) (Takara Shuzo), and the reaction conditions were 1
6 ° C., 90 minutes. 10 "variable-linker"
The product to which the DNA molecule is bound is the desired product,
In practice, shorter DNA molecules are also produced, so they are separated by polyacrylamide gel electrophoresis,
Only molecules were cut out of the gel and extracted. In this way, the pool of DNA molecules expressing the selection method when selecting variables one by one from all the clauses of the Boolean expression G is 1n
g was obtained. Since the DNA of 1ng include 10 9 molecules,
On average, more than 10,000 DNAs for each selection
It will contain molecules. Therefore, it can be said that all possible selection methods are included in this pool.

【0033】このプールの中から解を求めるためには、
ヘアピン構造を形成するDNA分子を除いていって、解
に対応するDNA分子を濃縮していけばよい。そのため
には、まず、酵素によって、ヘアピン構造を有するDN
Aを分解する。この目的のために、各変数配列の中央の
5残基は、制限酵素BstNI の認識部位としてデザインさ
れている。
To find a solution from this pool,
The DNA molecules forming the hairpin structure may be removed, and the DNA molecules corresponding to the solution may be concentrated. For this purpose, first, a DN having a hairpin structure is
Decompose A. For this purpose, the middle five residues of each variable sequence are designed as recognition sites for the restriction enzyme BstNI.

【0034】ここで、ヘアピン構造を形成するDNA分
子の除去方法を簡単に図に基づいて説明しておくと、図
2中、単鎖のDNA分子1は、ヘアピン構造の二重鎖形
成領域2を有し、一端がダイナビーズ3に付着してい
る。そこに制限酵素BstNIを作用させると、図3に示す
ように、二重鎖形成領域2は、制限酵素BstNIによって
切断部位で切断される。また、図4に示すように、ヘア
ピン構造を有する場合には、DNAポリメラーゼによっ
てDNA分子の一端から増幅が開始されるものの、二重
鎖形成領域2の端部で増幅が阻害される。
Here, the method for removing the DNA molecules forming the hairpin structure will be briefly described with reference to the drawings. In FIG. 2, a single-stranded DNA molecule 1 is a double-stranded region 2 having a hairpin structure. And one end is attached to the dynabeads 3. When the restriction enzyme BstNI acts thereon, the double-stranded region 2 is cleaved at the cleavage site by the restriction enzyme BstNI, as shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 4, in the case of having a hairpin structure, amplification is started from one end of the DNA molecule by the DNA polymerase, but is inhibited at the end of the double-stranded region 2.

【0035】制限酵素による分解の有用性の確認 制限酵素を用いて、ヘアピン構造をもつDNAを除去す
る手法において、ヘアピン構造をもつDNAは、二重鎖
部分を持つので、切断を受けることが十分期待できる。
一方、ヘアピン構造を形成しないはずのDNA分子につ
いては、予期しない二次構造によって酵素切断部位が形
成されることもあり得る。したがって、予備的な実験に
よって、ヘアピン構造をもたないDNA分子が制限酵素
によって切断されないことを確認することが特に重要で
ある。そこで、次のような実験を行なった。
[0035]Confirmation of usefulness of digestion by restriction enzymes  Use restriction enzymes to remove hairpin DNA
In some methods, DNA with a hairpin structure is double-stranded
Because it has a part, it can be expected that it will be cut.
On the other hand, DNA molecules that should not form a hairpin structure
In some cases, an unexpected secondary structure causes
It could be done. Therefore, for preliminary experiments
Therefore, a DNA molecule without a hairpin structure is a restriction enzyme
It is especially important to make sure that
is there. Therefore, the following experiment was performed.

【0036】オリゴマーAは、変数a、リンカー1、変
数bが、この順序に並んだ塩基配列をもつ。塩基配列は
次の通りである。 オリゴマーA: TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCATCAGA
TTGGCATAAGTTGCCAGGCAGGAACTCCAT オリゴマーBは、変数a、リンカー1、変数aの否定
(!a)が、この順序に並んだ塩基配列をもつ。塩基配
列は次の通りである。 オリゴマーB: TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCATCAGA
ATGGCACTCGATCCTGGGTCTATCAACCAA
The oligomer A has a base sequence in which the variable a, the linker 1, and the variable b are arranged in this order. The base sequence is as follows. Oligomer A: TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCATCAGA
TTGGCATAAGTTGCCAGGCAGGAACTCCAT Oligomer B has a base sequence in which variable a, linker 1, and negation of variable a (! A) are arranged in this order. The base sequence is as follows. Oligomer B: TTGGTTGATAGACCCAGGATCGAGTGCCATCAGA
ATGGCACTCGATCCTGGGTCTATCAACCAA

【0037】つまり、オリゴマーBは、ヘアピン構造を
形成し、オリゴマーAは、ヘアピン構造を形成しない。
図5は、酵素反応の前後の様子を、ポリアクリルアミド
ゲル(8M尿素、6%アクリルアミド)を用いた電気泳動
によって解析した結果を示すものである。図中、レーン
1,2は、オリゴマーAを示し、レーン3,4は、オリ
ゴマーBを示す。レーン1、3は、酵素による切断前で
あり、レーン2、4は、酵素による切断後である。酵素
切断前のサンプルは、94℃で1分間保温した後、室温
まで冷却して解析した。レーン3に見られるように、オ
リゴマーBは、その長さ(オリゴマーAと同じ)から予
測されるよりも速く泳動しており、ヘアピン構造を形成
していることがわかる。酵素反応は、サンプルを94℃
で1分間保温した後、60℃に冷却し、制限酵素BstNI
(New England Biolabs社製)を加えて、1時間30分
保温した。反応用緩衝液は、市販の酵素に添付されてい
るものを用いた。レーン4では、一部切断されて残った
オリゴマーBがあるものの、大半は分解されて、泳動距
離の長い位置にバンドが出ている。一方、オリゴマーA
については、レーン1とレーン2を比較すると明らかな
ように、全く変化が見られない。以上の実験から、酵素
による分解は、ヘアピン構造をもつDNAを特異的に除
去するために有効であることが示された。
That is, the oligomer B forms a hairpin structure, and the oligomer A does not form a hairpin structure.
FIG. 5 shows the results before and after the enzymatic reaction analyzed by electrophoresis using a polyacrylamide gel (8 M urea, 6% acrylamide). In the figure, lanes 1 and 2 show oligomer A, and lanes 3 and 4 show oligomer B. Lanes 1 and 3 are before cleavage by the enzyme, and lanes 2 and 4 are after cleavage by the enzyme. The sample before enzyme digestion was kept at 94 ° C. for 1 minute, cooled to room temperature, and analyzed. As can be seen in lane 3, oligomer B migrates faster than expected from its length (same as oligomer A), indicating a hairpin structure. The enzyme reaction is performed by heating the sample to 94 ° C.
After cooling for 1 minute, cool to 60 ° C and use the restriction enzyme BstNI
(New England Biolabs) was added, and the mixture was incubated for 1 hour and 30 minutes. As a reaction buffer, a buffer attached to a commercially available enzyme was used. In Lane 4, although some oligomer B remains after being partially cleaved, most is degraded, and a band appears at a position where the migration distance is long. On the other hand, oligomer A
As is clear when lane 1 and lane 2 are compared, no change is seen at all. From the above experiments, it was shown that the degradation by an enzyme is effective for specifically removing DNA having a hairpin structure.

【0038】制限酵素による分解 上記のプールは、pbs1とpbs2の間でPCRを行なうこと
によって、量を増加させた。PCR反応は、市販のEx T
aq DNAポリメラーゼ(宝酒造社製)を用いて行ない、そ
れに添付されている反応用緩衝液及びヌクレオチド三リ
ン酸混合液を使用した。このとき、pbs1に結合するプラ
イマーの5’末端をビオチン化しておく。こうして得ら
れたPCR産物は、ビオチンを介してストレプトアビジ
ン・ビーズ(Dynal社)に結合させることができる。こ
のビーズを用いた実験は、市販のビーズに添付された説
明書に基づいて行なった。ただし、アルカリで変性させ
た後は、0.1NのNaOH、0.3Mの酢酸ナトリウム緩衝液(pH
5.2)、B & W緩衝液(5mMのTris-HCl (pH7.5)、0.5mMの
EDTA、1.0mMのNaCl)、TE緩衝液(5mMのTris-HCl(pH7.
5)、0.5mMのEDTA)で順次洗って、中和した。
[0038]Degradation by restriction enzymes  For the above pool, perform PCR between pbs1 and pbs2
Increased the amount. The PCR reaction was performed using a commercially available Ex T
Perform using aq DNA polymerase (Takara Shuzo).
Reaction buffer and nucleotides
An acid mixture was used. At this time, the plug that binds to pbs1
The 5 'end of the immer is biotinylated. Thus obtained
The PCR product obtained is treated with streptavidin via biotin.
Bead (Dynal). This
The experiment using the beads was based on the theory attached to the commercially available beads.
It was performed based on the written instructions. However, denature with alkali
After that, 0.1N NaOH, 0.3M sodium acetate buffer (pH
5.2), B & W buffer (5 mM Tris-HCl (pH 7.5), 0.5 mM
EDTA, 1.0 mM NaCl, TE buffer (5 mM Tris-HCl (pH 7.
5), 0.5 mM EDTA) and then neutralized.

【0039】ビオチンを介してビーズに結合したDNA
分子は、アルカリで変性して一本鎖に変換し、液相を酵
素反応用緩衝液(50mMのTris-HCl (pH7.5)、10mMのMgCl
2、1mMのDTT)に置換する。その後、94℃で30秒間
保温し、2分間かけて60℃まで冷却する。60℃に1
分間保った後、制限酵素BstNIを反応液0.001mL当たり1
ユニット加えて、60℃で30分間保温した。その後、
アルカリで洗った後、再び同じ手順で酵素反応を行なっ
た。再度、アルカリで洗った後、ビーズの一部を採って
PCRを行ない、切断されずにpbs1とpbs2の2つの部位
を残しているDNA分子だけを回収した。このようにし
て得られたDNA分子は、様々の長さのものが混ざって
いるので、10変数の長さに相当する分子だけを精製
し、次の反応に用いた。
DNA bound to beads via biotin
The molecule is denatured with an alkali and converted into a single strand, and the liquid phase is subjected to an enzyme reaction buffer (50 mM Tris-HCl (pH 7.5), 10 mM MgCl 2).
2. Replace with 1 mM DTT). Thereafter, the temperature is kept at 94 ° C. for 30 seconds and cooled to 60 ° C. over 2 minutes. 1 at 60 ° C
After holding for 1 min, the restriction enzyme BstNI is added at 1
The unit was added, and the temperature was kept at 60 ° C. for 30 minutes. afterwards,
After washing with an alkali, an enzymatic reaction was performed again in the same procedure. After washing again with alkali, a part of the beads was sampled and subjected to PCR, and only the DNA molecules which were not cut and remained at two sites, pbs1 and pbs2, were collected. Since the DNA molecules thus obtained are mixed in various lengths, only the molecules corresponding to the length of 10 variables were purified and used for the next reaction.

【0040】以上のように、微量のDNA分子を操作す
る場合には、PCRで量を増やすことが不可欠なため
に、PCRの際にDNA分子に変異が生じることがあ
る。このような変位が制限酵素部位に生じた場合には、
上記の方法ではヘアピン構造をもつDNAを除くことが
できない。このため、補完的に第二の手法を用意し、こ
の手法によってヘアピン構造をもつDNA分子を除去す
る。
As described above, when manipulating a small amount of a DNA molecule, it is essential to increase the amount by PCR, and thus, mutation may occur in the DNA molecule during PCR. When such a displacement occurs at the restriction enzyme site,
The above method cannot remove DNA having a hairpin structure. For this reason, a second method is prepared complementarily, and the DNA molecule having the hairpin structure is removed by this method.

【0041】PCR反応を利用したヘアピン構造をもつ
DNA分子の除去 第二の手法は、DNAポリメラーゼがヘアピン構造をも
つDNA分子をうまく複製できないという性質を利用し
ている。ただし、ヘアピン構造を形成するDNA分子
が、常にどのような状態でもヘアピン構造をとるわけで
はなく、通常のPCRでは、ヘアピン構造を形成するよ
うなDNA分子でも効率良く増幅される。そのために、
PCRの条件を工夫することが必要である。
[0041]Has a hairpin structure using PCR reaction
Removal of DNA molecules  The second approach is that DNA polymerase has a hairpin structure.
Utilizing the property of not being able to successfully replicate DNA molecules
ing. However, DNA molecules that form a hairpin structure
However, it always takes a hairpin structure in any state
However, in normal PCR, a hairpin structure is formed.
Such DNA molecules are efficiently amplified. for that reason,
It is necessary to devise PCR conditions.

【0042】酵素反応後に回収されたDNA分子は、20
ng以下の量だけを0.025mLのPCR反応液に加える。最
初は、酵素もプライマーも加えずに、94℃で30秒間
保温し、2分間かけて60℃まで冷やす。そして、60
℃に保温しておいた0.025mLのPCR反応液(液中、5pm
olのプライマーと0.5ユニットのTaq DNAポリメラーゼが
含まれている。)を加え、引き続き9回のPCRサイク
ルを行なう。各サイクルは、60℃で1分間の保温、9
9℃で3分間の保温、2分間かけた60℃までの冷却の
プロセスを、この順序で含む。最後に、10サイクル目
は、60℃で1分間の保温のみを行なう。各サイクルの
直前には、反応液を半分(0.025mL)だけ捨てて、同量
の60℃の反応液(液中、2.5pmolのプライマーと0.25
ユニットの酵素が含まれる。)を加える操作を行なう。
これによって、ヘアピン構造を形成することで複製され
なかったDNA分子は、各サイクル毎に1/2に希釈さ
れる。ヘアピン構造を形成しないDNA分子だけが、最
初の濃度で反応液中に存在していることになる。10サ
イクル目の反応が終わったら、通常のPCR増幅を行な
う。ただし、8〜10サイクルの増幅に留める。
The DNA molecules recovered after the enzymatic reaction contained 20
Add only ng or less to 0.025 mL of PCR reaction. Initially, heat at 94 ° C. for 30 seconds without adding enzymes or primers and cool to 60 ° C. over 2 minutes. And 60
0.025 mL PCR reaction solution (in solution, 5 pm
ol primer and 0.5 units of Taq DNA polymerase. ), Followed by nine PCR cycles. Each cycle was maintained at 60 ° C. for 1 minute, 9
A process of incubation at 9 ° C. for 3 minutes and cooling to 60 ° C. for 2 minutes is included in this order. Finally, in the tenth cycle, only the temperature is kept at 60 ° C. for 1 minute. Immediately before each cycle, half of the reaction solution (0.025 mL) is discarded, and the same amount of the reaction solution at 60 ° C (2.5 pmol of primer and 0.25 mol
Unit enzyme is included. ).
Thereby, DNA molecules that have not been replicated due to the formation of the hairpin structure are diluted by half in each cycle. Only DNA molecules that do not form a hairpin structure will be present in the reaction at the initial concentration. After the completion of the reaction in the 10th cycle, normal PCR amplification is performed. However, the amplification is limited to 8 to 10 cycles.

【0043】このようにして得られたDNA分子をクロ
ーニングして、個々のDNA分子の塩基配列を解析し
た。4つのクローンを解析したところで、解に対応する
DNA分子が得られた。これら4クローンの塩基配列
を、変数の並びに直して示す。 1.b-d-!d-!a-e-!f-!a-a-!d-!d 2.b-d-a-d-a-d-d-a-!d-c 3.b-c-!d-!a-e-!f-c-c-!d-!a 4.b-a-a-d-e-d-!a-c-!a-c 3番目のクローンが、どの変数についても肯定か否定の
いずれかしか含まないのは、一見して明らかであり、よ
って、充足解(a,b,c,d,e,f)=(0,1,
1,0,1,0)が得られた。
The DNA molecule thus obtained was cloned, and the nucleotide sequence of each DNA molecule was analyzed. Analysis of the four clones resulted in DNA molecules corresponding to the solution. The nucleotide sequences of these four clones are shown in order of the variables. 1. bd-! d-! ae-! f-! aa-! d-! d 2. bdadadda-! dc 3. bc-! d-! ae-! fcc-! d-! a baaded-! ac-! ac It is apparent at first glance that the third clone contains only positive or negative for any variable, and thus the satisfactory solution (a, b, c, d, e) , F) = (0, 1,
1,0,1,0).

【0044】節及び変数の数が大きい場合の方法 次に、節及び変数の数が大きい場合について述べる。こ
のような場合には、ブール式の全長を一度に生成させる
ことはできない。場合の数が非常に大きくなるために、
通常サイズのテスト・チューブ内に収容できるDNA分
子数の上限を越えてしまうからである。100個の変数
と400個の節を有し、各節が3つの変数を有するよう
なブール式の解法を例にとって、方法を説明する。
[0044]Method with a large number of clauses and variables  Next, a case where the number of clauses and variables is large will be described. This
In such a case, the full length of the Boolean expression is generated at once.
It is not possible. Because the number of cases can be very large,
DNA content that can be accommodated in a normal size test tube
This is because the number of children exceeds the upper limit. 100 variables
And 400 clauses, so that each clause has three variables
The method will be described by taking a simple Boolean solution as an example.

【0045】ブール式の充足数は、各変数について
「0」または「1」を割り当てるものである。変数の否
定に「0」を充て、肯定に「1」を充てると、(a,
b,c)=(0,1,1)という解は、!a−b−cと
いう変数の選び方と同値である。このように、各変数を
1回ずつ選び、さらにそれぞれについて肯定か否定かの
いずれかを選んで並べたものは、「解の候補」と見なす
ことができる。
The satisfiable number of the Boolean expression is to assign “0” or “1” to each variable. By assigning “0” to the negation of the variable and “1” to the affirmative, (a,
b, c) = (0, 1, 1) It is the same value as how to select the variable abc. In this way, a variable that is selected once and each of the variables is selected and determined as either positive or negative can be regarded as a “solution candidate”.

【0046】上記実験例では、充足された状態のブール
式から「解」を読み取っていたが、大きな問題では「解
の候補」もブール式を表すDNA分子とともに用意し、
計算の進行とともに「解の候補」が絞られて、「解」が
残るように工夫する。まず、400個の節からなるブー
ル式を、10個の節毎にDNA分子によって表現する。
これは、上述の方法の通りに行なう。最初の10節まで
には、多くて30個の変数が含まれる。これらの変数を
含む全ての「解の候補」を作製し、最初の10節のDN
A分子に接続する。こうして得られるDNA分子の種類
は、通常のテスト・チューブに含むことができる程度の
数である。
In the above experimental example, the "solution" was read from the Boolean expression in a satisfied state. However, for a large problem, "solution candidates" were also prepared together with the DNA molecule representing the Boolean expression.
As the calculation progresses, the "solution candidates" are narrowed down so that "solutions" remain. First, a Boolean expression consisting of 400 clauses is represented by a DNA molecule every 10 clauses.
This is done as described above. The first ten clauses contain at most 30 variables. All “solution candidates” containing these variables were created and the first 10 DNs
Connect to A molecule. The types of DNA molecules thus obtained are such that they can be contained in a normal test tube.

【0047】ここで、上述のヘアピン構造の形成による
演算を行ない、ヘアピン構造をもつDNA分子を除く。
残ったDNA分子について、それぞれから「解の候補」
を表す部分だけをPCRによって回収する。「解の候
補」の数は、この演算によって減らされている。ここま
でが、演算の第1段階である。次の10節に新しく登場
する変数を含む「解の候補」をDNA分子で作製し、こ
れを第1段階の演算で残った「解の候補」と接続する。
さらに、当該10節分のブール式を表現するDNA分子
と接続し、演算を行なう。残った「解の候補」を回収し
たら、演算の第2段階は終了である。このようにして、
順次最後の節まで演算を進める。このとき、「解の候
補」は種類を減らして絞り込まれていくと共に、順次多
くの変数を含むようになり、最終的には全ての変数につ
いて肯定か否定かのいずれかを含んだ「解」が得られ
る。
Here, the calculation based on the formation of the hairpin structure described above is performed to remove the DNA molecules having the hairpin structure.
For each of the remaining DNA molecules, a "solution candidate"
Is recovered by PCR. The number of “solution candidates” has been reduced by this operation. The above is the first stage of the calculation. A “solution candidate” including a variable newly appearing in the next section 10 is created with a DNA molecule, and this is connected to the “solution candidate” remaining in the first-stage operation.
Further, it is connected to a DNA molecule expressing a Boolean expression for the ten clauses, and performs an operation. When the remaining “solution candidates” are collected, the second stage of the operation is completed. In this way,
The operation proceeds sequentially to the last clause. At this time, the “solution candidates” are narrowed down by reducing the types, and sequentially include many variables, and finally, “solutions” including either positive or negative for all variables Is obtained.

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明の方法によれば、NP完全問題
が、複数種のDNA分子にコード化されているので、単
に、これら複数種のDNA分子を混合するだけで、自律
的に演算が行なわれる。また、節形式ブール式において
は、充足解に相当しないDNA分子が、ヘアピン構造を
有するものとして生成するので、制限酵素及びPCR法
を用いて、ヘアピン構造を有するものを除去し、充足解
を表すDNA分子のみを得ることができる。そして、得
られたDNA分子の塩基配列を解析すれば、充足解が得
られる。このように、本発明の方法は、DNA分子を用
いた組み合わせ問題の自律的演算方法の原理を提供する
ものであり、現在の電子計算機では解決できないような
問題に対する解決手段として非常に有望である。
According to the method of the present invention, since the NP complete problem is encoded in a plurality of types of DNA molecules, the operation can be performed autonomously simply by mixing these types of DNA molecules. Done. In the clause-type Boolean expression, a DNA molecule that does not correspond to a satisfactory solution is generated as having a hairpin structure. Therefore, using a restriction enzyme and a PCR method, the material having a hairpin structure is removed to represent a satisfactory solution. Only DNA molecules can be obtained. Then, by analyzing the base sequence of the obtained DNA molecule, a satisfactory solution can be obtained. As described above, the method of the present invention provides a principle of an autonomous calculation method of a combination problem using DNA molecules, and is very promising as a solution to a problem that cannot be solved by a current computer. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】節形式ブール式をコード化して表した図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing a clause type Boolean expression encoded.

【図2】DNA分子がヘアピン構造を形成した状態を示
す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a state in which a DNA molecule has formed a hairpin structure.

【図3】ヘアピン構造を形成したDNA分子が、二重鎖
形成領域で制限酵素によって切断された状態を示す図で
ある。
FIG. 3 is a diagram showing a state in which a DNA molecule having a hairpin structure is cleaved by a restriction enzyme in a double-stranded region.

【図4】ヘアピン構造を形成したDNA分子中の二重鎖
形成領域の端部で、DNAの増幅が中断されることを説
明する図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining that DNA amplification is interrupted at the end of a double-stranded region in a DNA molecule having a hairpin structure.

【図5】オリゴマーAとオリゴマーBの電気泳動の結果
を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the results of electrophoresis of oligomer A and oligomer B.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 DNA分子 2 二重鎖形成領域 3 ダイナビーズ 1 DNA molecule 2 Double-strand forming region 3 Dynabeads

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 NP完全問題を、塩基配列が互いに異な
る複数種のDNA分子にコード化して表す工程と、上記
複数種のDNA分子を混合して、DNA分子同士を反応
させることによって、自律的に演算を行なわせる工程
と、該DNA分子同士の反応の生成物の中から、問題の
解に相当する生成物と、問題の解に相当しない生成物を
分離させる工程とを含むことを特徴とするNP完全問題
の解を得る方法。
1. An autonomous NP-complete problem by encoding a plurality of types of DNA molecules having different base sequences from each other and expressing the NP complete problem by mixing the plurality of types of DNA molecules and causing the DNA molecules to react with each other. And a step of separating, from the products of the reaction between the DNA molecules, a product corresponding to the solution of the problem and a product not corresponding to the solution of the problem. To obtain a solution to the complete NP problem.
【請求項2】 上記問題の解に相当しない生成物が、ヘ
アピン構造を有する請求項1に記載のNP完全問題の解
を得る方法。
2. The method according to claim 1, wherein the products not corresponding to the solution of the problem have a hairpin structure.
【請求項3】 m個の変数とn個の節(ただし、m、n
は各々、2以上の正の整数である。)によって表され、
当該n個の節の各々が、上記m個の変数のみを含む節形
式ブール式充足可能性問題において、 上記m個の変数の各々を表す手段として、DNA分子を
用い、かつ、当該DNA分子は、変数毎に塩基配列が異
なるとともに、変数相互間または変数自身の中でヘアピ
ン構造を形成しないような塩基配列となっており、 上記n個の節の各々を表す手段として、上記変数を表す
DNA分子の両端部又は一端部に接続されるリンカーを
用い、かつ、当該リンカーは、隣接する節のリンカーに
対してのみ相補性を有するように構成されており、 上記DNA分子に上記リンカーを接続させて、「変数−
リンカー」DNA分子を得た後、当該「変数−リンカ
ー」DNA分子を混合して、n個のDNA分子が鎖状に
連なった生成物を得て、その後、当該生成物の中から、
ヘアピン構造を形成した生成物を排除することによっ
て、上記節形式ブール式の充足解に相当する生成物のみ
を得る、請求項2に記載のNP完全問題の解を得る方
法。
3. m variables and n clauses (where m, n
Is a positive integer of 2 or more. ),
In the clause type Boolean satisfiability problem in which each of the n clauses includes only the m variables, a DNA molecule is used as a means for representing each of the m variables, and the DNA molecule is The base sequence is different for each variable, and the base sequence is such that a hairpin structure is not formed between the variables or within the variable itself. As means for representing each of the n nodes, DNA representing the variable A linker connected to both ends or one end of the molecule is used, and the linker is configured to have complementarity only to a linker of an adjacent node, and the linker is connected to the DNA molecule. "Variable-
After obtaining the “linker” DNA molecule, the “variable-linker” DNA molecule is mixed to obtain a product in which n DNA molecules are linked in a chain, and then, among the products,
The method for obtaining a solution to the NP-complete problem according to claim 2, wherein only products corresponding to the satisfying solution of the above-mentioned clause type Boolean expression are obtained by eliminating the products that have formed a hairpin structure.
【請求項4】 上記ヘアピン構造を形成した生成物の排
除が、制限酵素によってヘアピン構造を切断する工程
と、PCR法によって、ヘアピン構造を有しない生成物
のみを増幅させる工程とからなる請求項3に記載のNP
完全問題の解を得る方法。
4. The method according to claim 3, wherein the removal of the product having the hairpin structure comprises the steps of cutting the hairpin structure with a restriction enzyme, and amplifying only the product having no hairpin structure by PCR. NP described in
How to get a complete solution.
【請求項5】 m個の変数とn×p個の節(ただし、
m、n、pは各々、2以上の正の整数である。)によっ
て表され、当該n×p個の節の各々が、上記m個の変数
のみを含む節形式ブール式において、当該節形式ブール
式をn個の節を含むp個の群に分割して、第1群から第
p群までを定めた後、請求項3又は4に記載のNP完全
問題の解を得る方法を、第1群から第p群まで、前の群
の充足解に相当する生成物を後の群に加えていくように
して順次適用し、最終的に第p群において節形式ブール
式の充足解を得る、NP完全問題の解を得る方法。
5. m variables and n × p clauses (where,
m, n, and p are each a positive integer of 2 or more. ), Where each of the n × p clauses is divided into p groups of n clauses in the clause Boolean expression containing only the m variables. , After defining the first to p-th groups, the method for obtaining the solution of the NP complete problem according to claim 3 or 4 corresponds to the first to p-th groups corresponding to the satisfactory solution of the previous group. A method of obtaining a solution of the NP-complete problem, in which the products are sequentially applied as they are added to the subsequent groups, and finally a satisfactory solution of a clause-type Boolean expression is obtained in the p-th group.
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