JP2004021705A - 分子計算装置、分子計算計画設計装置、分子計算方法、分子計算プログラム及び分子計算結果解析プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電子コンピュータよりも高速に計算を実行する。
【解決手段】電子計算部２１と分子計算部２２とを具備する分子計算装置であって、電子計算部２１は通常の計算処理に加えて、実質的に分子計算部２２の機能を制御し、その制御の下で分子による演算が実施される。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核酸分子を使用する新規な分子計算装置、分子計算計画設計装置、分子計算方法、分子計算プログラム及び分子計算結果解析プログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体シリコンを用いた計算機はその誕生以来大きく性能を伸ばし、安価に複雑な計算をこなして人類に貢献してきた。これら半導体シリコンを用いた計算機は主に０と１の２値で計算を進めるノイマン型計算機である。
【０００３】
コンピュータ科学の分野において研究対象として有名な問題の中にＮＰ完全問題という問題がある。このようなＮＰ完全問題の例は巡回サラリーマン問題、蛋白質の３次元構造の予想などである。このような問題を完全に解く従来の方法として代表的な２つが挙げられる。１つは、全ての可能な解を問題に当てはめて、その問題が解けるか否かを検証していく方法である。他の一つは、近似解を求めることによって問題を解く方法である。
【０００４】
前者の方法では、解答を得るために要求される計算時間は、問題の規模に比例して指数関数的に増加していく。また、後者の方法は、このような計算を高速に行うために提案されたものである。近似解を求めるためのアルゴリズムがいくつか提案されてきた。これらのアルゴリズムでは厳密解が求まるとは限らず、解を見落とす可能性がある。
【０００５】
前者の方法によって、全ての解を高速に求めるためには、現在の技術では並列化した多数の電子計算機を並行して計算することが考えられる。ところが計算機数が増加すれば消費電力が増え、より広い設置場所も要求される。また計算機を並列化するには計算機同士の通信をどのようにするか、どんな接続法を採用するかなどの技術的課題も多い。
【０００６】
一方、ノイマン型計算機で解くのが難しい問題を解くために、１９９４年にエイデルマン（Ａｄｌｅｍａｎ）によってＤＮＡコンピューティング（ＤＮＡ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）と称される新たな計算機パラダイムが提案された（Ｓｃｉｅｎｃｅ，２６６，１０２１−４）。
【０００７】
エイデルマンの思想は、ＤＮＡ分子を、情報を記録したテープと見なし、情報処理の主体として酵素を用いることによって、チューリング機械の計算過程をＤＮＡ分子を用いて実行するというものである。即ち、エイデルマンは小規模なハミルトン経路問題を解くために、ＤＮＡを用いて経路に対応するＤＮＡを形成させる。そして、そのＤＮＡの中から解のＤＮＡを選択する方法を用いた。また、ＤＮＡ分子で加算を行うというグアニエリ（Ｇｕａｎｉｅｒｉ）らによる報告もある（Ｓｃｉｅｎｃｅ，２７３，２２０−３）。このように分子による演算の可能性についての探索が行われてきた。
【０００８】
ＤＮＡを演算に用いると次のような点で有利であることが明らかになっている。例えば、数十塩基程度の短いＤＮＡ分子の１ｐｍｏｌ（＝１０^−１２ｍｏｌ）は、１００μＬの緩衝溶液に容易に溶解する。その上、溶解液中の分子数は約６×１０^１１個にものぼる。従って、この膨大な数の分子が相互作用により解を表す分子を形成するならば、従来のコンピュータを用いて行う並列計算するよりも遙かに大きな並列数で解を求めることができる。また、１ｍＬにも満たない溶液中でもこの反応は行えるため、その溶液の加温冷却を行ってもエネルギーはほとんど消費されない。これらのＤＮＡを使った計算機は、多変数の大きな問題に適用したときにノイマン型計算機の処理速度を凌駕すると予測される。しかしながら、現在のところ、実用化に耐えることができ、且つ、効果的にＤＮＡ分子により分子計算を行える装置は開発されていない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような状況に鑑み、本発明の目的は、分子演算の並列性を利用して従来の電子コンピュータよりも高速に計算を実行する好適な適用例を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、例えば以下の手段により実現される。即ち、
分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応により分子計算を実行する分子計算装置であって、
分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応の反応制御を行う反応制御部を備えた分子計算部と、
分子を核酸配列に基づき符号化した符号分子に対応付けて定義された変数及び定数と、前記符号分子の演算反応に対応付けて定義された関数により記述されたプログラムを、前記符号分子の演算反応に対応する分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応の反応制御を行う前記反応制御部を駆動させるための制御命令に変換して前記制御命令の手順を生成する制御命令生成部と、
前記制御命令の手順を出力する出力部とを有する電子計算部
を備える分子計算装置である。
【００１１】
ここで、反応制御には、反応を生じさせる操作（ＰＣＲ反応等）の制御と、反応を生じさせる付随的な操作（混合等）の制御を含む。この方法により、従来の電子コンピュータよりも高速に並列計算処理することが可能である。
【００１２】
また、このような装置によって、例えば、遺伝子型や遺伝子の発現の状態を決定すること等も可能である。
【００１３】
このような装置は、ＮＰ完全問題等の困難な数学的問題を解くために有利な、超並列計算を高速に行う分子計算装置として有用である。もちろん、遺伝子解析にも利用可能である。
【００１４】
また、上述の装置は、その装置により実現される方法、その装置を実現する電子計算部で利用可能なプログラムや、記録媒体のみならず、分子計算の実行計画を作成する実行計画設定手法としても成立する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の１の側面において、核酸を用いた情報処理方法を実行するための計算機が開示される。
【００１６】
ここで使用する「核酸」とは、ｃＤＮＡ、ゲノムＤＮＡ、合成ＤＮＡ、ｍＲＮＡ、全ＲＮＡ、ｈｎＲＮＡおよび合成ＲＮＡを含む全てのＤＮＡおよびＲＮＡ、並びに、ペプチド核酸、モルホリノ核酸、メチルフォスフォネート核酸およびＳ−オリゴ核酸などの人工合成核酸を含む。また、ここにおいて「核酸」、「核酸分子」および「分子」とは交換可能に使用され得る。
【００１７】
以下、例を用いて本発明を説明する。
【００１８】
Ｉ．分子計算装置
１．概要
本発明の好ましい態様に従うと、核酸を用いた情報処理方法を実施するための計算装置が提供される。そのような計算装置は、電子計算部と分子計算部とを具備する分子計算装置であって、前記電子計算部が、実質的に分子計算部の機能を制御し、その制御の基で分子による演算が実施される分子計算装置である。分子計算部とは、分子の化学反応を実行することにより実質的に計算を実行する部分である。
【００１９】
本発明の計算装置において基礎となる計算法は、上述したような分子演算の並列性を利用して分子計算部が演算を行い、得られたデータを基に、電子計算部が演算結果を表示する方法である。本発明は、核酸分子を用いて計算を実施することによって、データの並列処理や遺伝子解析を効率的に実行する計算装置を開示する。また、核酸分子によりデータやプログラムを表現し、そのプログラムで定義された演算を分子反応に置き換えて反応を実行することにより、従来の電子コンピュータに比べて桁違いに大きなメモリ容量と高い並列処理能力を実現する。
【００２０】
本計算装置を開発するに当たり、まず最初に、本発明者らは、分子計算機を用いて演算を実行するときの計算プログラムの内容を、分子計算部で認識し且つ実行可能なデータ形式に変更するのが好ましいことに注目した。具体的には、分子計算部で計算を実施する前に、予め分子を特定の符号に結びつけた符号分子に変換する。そして、その変換規則を用いて計算プログラム中の変数および定数などのデータを自動的に符号分子に変換しておく。更に、このような変換操作を電子計算部において行うことが計算装置全体の計算速度の向上のために好ましいことを見出した。
【００２１】
言い換えれば、本発明の分子計算装置は、分子計算部と電子計算部とが互いに補完的に機能を分担する計算装置である。従って、使い勝手がよく、その上、速い速度でＮＰ完全問題を解くことや、核酸分子等の生体分子の情報解析を直接行うことが可能である。即ち、本発明の計算装置は、文字の入力や表示、単純な四則計算が遅いというような分子計算部の欠点を、電子計算部を用いてカバーする。これにより、計算装置全体としての計算速度向上を可能にした。従って、本発明の分子計算装置は、電子計算機が高速に実現できる機能は電子計算部が担当し、それ以外の部分を分子計算部が担当するハイブリッド分子計算装置である。
【００２２】
本発明の基本となる計算装置を図１に示す。本発明の計算装置は、電子計算部２１及び分子計算部２２に大別される。また、電子計算部２１には、データを入力する入力部１１及びデータを出力する出力部２０が接続されている。また、分子計算部２２には、データを入力する入力部１８及び出力部１９が接続されている。
【００２３】
電子計算部２１は一般的な電子コンピュータにより実現される。具体的には、演算部１４、記憶部１３、入出力制御部１２及び通信部２３を具備する。演算部１４に記憶部１３、入出力制御部１２及び通信部２３が接続されている。また、入出力制御部１２は入力部１１及び出力部２０に接続されている。更に、その他の一般的な電子コンピュータの構成要素を具備してもよい。演算部１４は、例えばＣＰＵなどにより実現される。記憶部１３は半導体メモリなどにより実現される。
【００２４】
分子計算部２２は、演算部１５、記憶部１６、入出力制御部１７及び通信部２４を具備する。演算部１５と記憶部１６、入出力制御部１７、入力部１８及び出力部１９は分子や容器、ピペッタなどの反応機器により実現される。すなわち、分子の化学反応を実行するための装置により実現されるものであり、演算部１５、記憶部１６、入出力制御部１７などに装置構成が１：１に対応するものではない。演算部１５、記憶部１６、入出力制御部１７などの構成は、分子計算部２２の分子や容器、ピペッタなどの反応機器を電子計算部２１と同じ概念として捉えた場合の構成の一例を示している。演算部１５，記憶部１６及び入出力制御部１７は通信部２４に接続されている。また、入出力制御部１７は入力部１８及び出力部１９に接続される。これら分子や反応機器により、演算とデータの記憶と分子データの入出力制御とを同時に実現している。
【００２５】
本発明の計算装置では、電子計算部２１が分子計算部２２を制御する。電子計算部２１に所望するプログラムが入力されると、入力された情報を基に、分子計算部２２において実行する分子計算の計画が生成される。また、目的とする分子計算に必要な分子の設計が行われ、それにより得られた情報を分子計算部２２に伝える。分子計算部２２は、得られた情報に基づき分子計算を行う。例えば、当該分子計算の計画は、記憶部１３に記憶された入力情報と設計される分子計算が対応づけられたテーブルを演算部１４が検索し、対応する計算を選択することによりなされてもよい。また、分子の設計は、記憶部１３に記憶された入力情報と設計される分子が対応づけられたテーブルを演算部１４が検索し、対応する分子を選択することによりなさてもよい。
【００２６】
電子計算部２１側の入力部１１は、例えば、キーボードおよびマウス等の一般的に人が情報を入力することが可能な入力手段の何れかを使用することが可能である。また、電子計算部２１側の出力部２０は、ディスプレイおよびプリンタ等の一般的に情報を出力することが可能な出力手段の何れかを使用することが可能である。
【００２７】
これら計算装置の動作を実現するため、演算部１４は、例えば翻訳・計算計画立案・実行部１４ａ、核酸配列計算部１４ｂ、結果解析部１４ｃなどとして機能する。これら各手段１４ａ〜１４ｃは、例えば記憶部１３から翻訳・計算計画立案・実行プログラム、核酸配列計算プログラム、検出結果解析プログラムが読み出されることにより実行される。また、演算部１４で各種機能を実行させるためのプログラムは、記録媒体に記録されたプログラムプロダクトとして存在し、図示しない記録媒体読取装置により読み取られ、記憶部１３に格納された上で演算部１４で実行されてもよい。また、演算部１４は、これら各手段１４ａ〜１４ｃとして機能する以外にも、通常の電子計算機が実行する手段としても機能する。
【００２８】
更に、分子計算部２２において得られた計算結果の出力は、通信部２４，２３を介して電子計算部２１に送信され、演算部１４などにより所望のデータ処理が施されてもよい。例えば、それらの計算結果は、予め記憶部１３に記憶しておいた処理形式に応じた形式で集計および演算処理される。その演算処理結果は、最終的には出力部１９または出力部２０に所望する形態で出力される。これらの処理の間、分子計算部２２の演算部１５や記憶部１６の状態は、電子計算部２１において通信部２３、２４を介して受信される情報として間接的に把握されている。
【００２９】
一方、分子計算部２２は、実験的に核酸分子を合成したり、合成済みの核酸分子を用いて所望する演算反応を行うことにより分子計算を実行する部分である。分子計算部２２において行われる分子計算の例は後述する。
【００３０】
電子計算部２１の演算部１４は、通常の電子計算機の演算部が行う処理に加えて、入力部１１から入力された初期値を符号分子表現に変換すること、計算プログラムの手続または関数を対応する符号分子の演算反応に変換すること、および記憶された計算プログラムから演算反応の実行手順を作成すること等を行う。また、電子計算部２１にて行われることは、例えば、分子の変数への割り当て、試薬などの反応用溶液収容容器の割り当て、分子計算中の反応機器（例えば、ピペットチップなど）や反応用溶液の配置の割り当て、コンテナやピペッタなどの反応機器の移動や操作の割り当て、サーマルサイクラの温度制御の設定、並びに計算の実行シーケンスの決定などである。
【００３１】
基本的な計算装置の処理を図４の処理フローに従って説明する。
【００３２】
なお、以下の（Ｓ１）〜（Ｓ９）のうち、（Ｓ１）、（Ｓ２）、（Ｓ３）、（Ｓ５）、（Ｓ８）、（Ｓ９）の工程は電子計算部２１で実行される。（Ｓ４）は核酸合成装置３０で実行される。（Ｓ６）及び（Ｓ７）は分子計算部２２で実行される。
【００３３】
（Ｓ１）所望する計算プログラム（原始プログラム）は、電子計算部２１の入力部１１から入力され、入力された計算プログラム、計算プログラムの定数および変数等の情報は記憶部１３に記憶される。
【００３４】
（Ｓ２）プログラムの翻訳処理であり、（Ｓ２ａ）〜（Ｓ２ｃ）からなる。Ｓ１で記憶された原始プログラムはまず順次プログラムに変換される（Ｓ２ａ）。そして、この順次プログラムに含まれるデータ（変数、定数）は、演算部１４により記憶部１３に予め記憶された対応データに従って、符号分子表現に変換される。一方、順次プログラムに含まれる手続または関数は、対応する符号分子の演算反応に変換される（Ｓ２ｂ）。この（Ｓ２ｂ）により、演算反応により処理手順を表現した演算手順テーブルが生成される。次に、演算手順が実行手順に変換されて、実行手順テーブルが生成される（Ｓ２ｃ）。（Ｓ２）のプログラムの翻訳は、「計算反応手順の作成」とも称す。
【００３５】
（Ｓ３）核酸配列の計算処理である。この計算処理は、具体的には、（Ｓ２ｂ）で得られた演算手順テーブルに含まれる符号分子のうち、新たに生成が必要な分子を得るためのシミュレーションである。この処理は、予め設計しておいた核酸配列を用いるならば行わなくてもよい。
【００３６】
（Ｓ４）核酸合成処理である。（Ｓ３）で得られた計算結果は核酸合成装置３０に送られ、（Ｓ３）において設計された各配列を有した核酸である符号分子が合成される。予め設計し合成しておいた核酸を用いるならばこの合成は必要ない。合成が行われない場合、入力部１８から合成済みの核酸を入力する。
【００３７】
（Ｓ５）実行手順テーブルの実行手順を、分子計算部２２に命令を与えるための制御命令に変換し、制御命令手順テーブルが生成される。この制御命令手順テーブルは分子計算部２２に出力される。
【００３８】
（Ｓ６）分子計算部２２は、（Ｓ５）で入力された制御命令手順に従って、Ｓ４において準備された演算分子を用いて、プログラムの演算反応に相当する分子の化学反応を実行する。これにより、分子を用いた自動計算が行われる。
【００３９】
（Ｓ７）（Ｓ６）において行われた化学反応により生じた反応産物の検出および同定を行う。
【００４０】
（Ｓ８）（Ｓ７）で得られた検出結果の解析を行う。
【００４１】
（Ｓ９）予め記憶部１３に記憶しておいた出力形式に合わせるように、Ｓ７において算出された最終データが処理され、出力部２０から出力される。この出力結果により、プログラムの計算結果を確認することができる。
【００４２】
このような工程は、所望に応じてループ処理を形成することも可能である。例えば、各工程により得られた結果を、記憶部１３に予め記憶された条件等と比較し、その比較結果によってはそれ以前の何れかの工程を単独で、または複数の工程を組み合わせて実施することを、繰り返して行うように設定することも可能である。
【００４３】
ループ処理を形成する場合の処理フローの一例を図５に示す。図５に示すように、解析結果に基づき分岐処理の判定を実行する。この判定により分岐処理後の処理すべきプログラムが決定される。そして、（Ｓ２ａ）に戻り、この決定されたプログラムは順次処理への変換などを経て再び分子計算部による自動実行（Ｓ６）がなされる。
【００４４】
図５の場合、分岐処理毎に原始プログラムのレベルから制御命令手順テーブルの生成が必要となる。これに代えて、図６に示す処理フローとすることもできる。
【００４５】
図６は、予め原始プログラムにおける分岐処理、分岐処理後のすべての制御命令手順が生成されている場合である。この場合、分岐処理の判定結果さえ（Ｓ１０）で得られれば、（Ｓ１２）に進み、予め（Ｓ６）で生成された制御命令手順テーブルにおける次の制御命令手順を決定するのみでよい。これにより、分岐処理の度にプログラムを翻訳する処理が不要となる。
【００４６】
なお、これら図５及び図６に示したような処理フローの適用は、分岐処理の場合に限られない。処理において、一旦分子計算部２２での計算結果を電子計算部２１にフィードバックさせ、その計算結果に基づき手順が変更する場合のすべての処理に適用可能である。
【００４７】
また、自動化が難しい工程がある場合や、自動化すると装置が大がかりになる場合、例えば、クローニングにおける培養やコロニーピッキングなど人力で行うことが好ましい実験操作を行うときには、一度出力部１９に核酸を出力し、出力部２０に行うべき実験操作を表示する。この後、マニュアルによる分子計算部２２内の反応機器の操作を行ってから再び入力部１８に核酸を入力し、入力部１１から再起動を入力してもよいし、または入力を自動的に検出することで計算を再び始めてもよい。このように、処理の一部を人間が実行するように人間と計算機の処理分担を変えることもできる。
【００４８】
また、この工程において計算プログラムが所望の分子を得ることを目的とし、計算結果を表示する必要がない場合、（Ｓ６）で得られた所望の分子（反応産物）を最終出力としてもよい。この場合、図４のフローでは、（Ｓ７）以降のステップは省略される。例えば、特定の遺伝子を特異的に検出するオリゴＤＮＡを選択する計算を実行した場合などである。この場合、分子計算部２２における検出が行われた結果として得られる分子をそのまま出力部１９より出力して得る。
【００４９】
また、原始プログラムの記述レベルまで計算結果を変換せず、反応産物の検出を分子計算部２２で行った後、（Ｓ８）を実行せずに（Ｓ９）で計算の終了を出力部２０に出力してもよい。この場合、図７のようなフローとなる。
【００５０】
（Ｓ２）の工程における符号分子への変換は、予め、記憶手段に記録しておいた分子変換テーブルを読み出し、そこに含まれるデータを検索して対応するデータを読み出すことにより行うことが可能である。分子変換テーブルは、例えば分子計算に使用する符号分子と電子計算部２１に入力する情報とを対応付けたものでよい。
【００５１】
また、（Ｓ２）の工程における計算プログラムの手続または関数の演算反応への変換は、予め、記憶手段に記録しておいた手順変換テーブルを読み出し、そのテーブルを参照して対応するデータを読み出すことにより行うことが可能である。手順変換テーブルは、例えば実際に行われる分子計算の工程、それを実施する順序および繰り返し回数等と、電子計算部２１に入力する情報とを対応付けたものでよい。
【００５２】
また、以上の各工程で得られた情報は、工程毎に全て記憶部１３に記憶されても、少なくとも一部分の工程で記憶されるものでもよい。
【００５３】
上述の手順では、分子計算部２２に設けられた演算部１５において、核酸分子の合成を行うように記載したが、この演算部１５に加えて分子計算部２２に分子合成部を配置して核酸分子の合成を行ってもよい。この場合、分子合成部は分子計算部２２および電子計算部２１に含まれず、しかし電子計算部２１と分子計算部２２とに連結配置される。また、前述した通り、分子計算を行うために必要なすべての符号分子が分子計算部２２で既に準備されている場合は、核酸配列計算（Ｓ３）及び核酸合成（Ｓ４）は不要である。この場合のフローを図８に示す。
【００５４】
また、分子計算部２２における演算部１５は、核酸分子を用いた演算反応を行うために必要な以下のような各部分を具備する。
【００５５】
そこにおいて各種反応を行うための反応部、反応に必要な核酸を保持するための核酸保持部、反応に必要な試薬および緩衝液等を保持するための試薬保持部、反応に必要な酵素を保持するための酵素保持部、各部分を所望に応じて加熱するための加熱手段、各部分を所望に応じて冷却するための冷却手段、分注用ピペット等の分注手段、ピペットや反応容器等を洗浄するための洗浄手段、並びに各種操作を制御するための制御手段を全て、またはその中の幾つかを組み合わせて具備することが可能である。
【００５６】
また、演算部１５は、目的の演算反応により生じる反応産物を検出および同定するための検出部を具備してもよい。しかしながら、検出部は、演算部１５に必ずしも包含される必要はない。検出部は使用する検出手段によっては非常に大がかりな装置になる場合もあるからである。検出部は、電子計算部２１および分子計算部２２に内包されずに、電子計算部２１と分子計算部２２とに連結して存在するように配置することも可能である。
【００５７】
例えば、本装置における検出は、演算反応により生じた反応産物の電気泳動により行ってもよい。この場合、電気泳動により得られるピークの位置を検出することによって核酸分子の長さを判定して実施する。または、反応産物をＤＮＡシーケンサに供し、そこから出てくるデータを基に配列を検出して実験最初に割り当てていた符号化核酸の何れであるのかを判断してもよい。或いは、ＤＮＡマイクロアレイとスキャナを装備することにより、符号化核酸の配列をハイブリダイゼーション法により読み取ることにより実施してもよい。
【００５８】
（Ｓ６）における制御命令に基づく分子計算部２２の自動制御をマニュアルで行うことも可能である。この場合のフローを図９に示す。図９に示すように、（Ｓ６）の代わりに（Ｓ６１）を設けてある。この（Ｓ６１）では、（Ｓ５）で生成され、予めプリンタなどで制御命令手順テーブルを印刷した制御命令手順表を参照し、オペレータがマニュアルで分子計算部２２の各装置を操作する。このように、オペレータがマニュアルで操作する場合であっても、分子計算部２２における制御手順が明確に示されているため、従来の分子計算部２２を用いた場合に比べ格段に効率的な計算処理が可能となる。
【００５９】
分子計算部２２の反応結果を検出部で検出することなく、出力を反応結果自体、すなわち核酸により得ることも可能である。この場合、図９の（Ｓ６１）以下のステップは省略される。
【００６０】
電子計算部２１において、一連の計算手順、即ち、計算を実行するシーケンスを作成するためには、入力されたプログラムと問題とその初期値とから、一意に計算のための実行シーケンスが定まるのが好ましい。例えば、３ＳＡＴのプログラムの場合では、プログラムのループを展開し、条件分岐については問題を参照して予め判断しておく。これにより、翻訳・計算計画立案・実行部１４ａによる計算計画を定めることができる。従って、プログラムの計算が始まる時点で全ての計算計画を定めることができる。ただし、プログラムによってはループの途中に配列検出操作を入れて配列を確認してから条件分岐を行わなくてはならない場合もある。その場合、検出操作を行ってからその結果に応じて次の段階の計算計画を立てるように実行すればよい。
【００６１】
また、本発明の計算装置では、例えば、ｃＤＮＡの合成などを関数化し、計算のための分子計算部２２での操作と関連づけて電子計算部２１の記憶部１３に記憶させておくことが可能である。これにより自動的な手順の計画が可能となる。また、自動的に符号化反応を行うことにより、それぞれの処理、例えば、論理演算および／または配列検索を自動的に並列的に行うことができる。
【００６２】
本発明によれば、従来の実験用、臨床用および製造用等の種々の作業用ロボットシステムを分子計算部２２に適用できる。この場合、事前に準備された電子計算部側のプログラムに制約されることなく、目的を最優先とした作業計画に対応するように動作させることが可能となる。
【００６３】
本発明における符号化配列として、例えば、ヒトの遺伝子を変換する場合には、ウイルスなど、異種で塩基配列のホモロジーが低い生物の部分配列を用いることが好ましい。また、単に３ＳＡＴなどの非生物的な問題を解く場合には、クロスハイブリダイゼーションしないように、且つＴｍがほぼ等しいような配列を任意に設計し、符号化配列として使用することも可能である。また、数が多く必要であれば、電子計算部２１において所望の条件を満たすように計算で求めた正規直交化配列を用いる。
【００６４】
また、分子計算部２２における分子を直接的な入力とした化学反応により、電子計算部２１が所望する演算が可能になる。従って、例えば、遺伝子解析に本発明を利用した場合には、実験誤差を最小に抑えることが可能である。即ち、核酸を符号化核酸に対応付けて装置内で分子の状態のまま計算処理するので実験誤差が抑えられる。また、本発明の分子計算装置の使用により計算時間およびランニングコストが削減できる。
【００６５】
更に、遺伝子解析をプログラムにより表現することで、実験を自動的に計算して実行することもできる。また、例えば発現遺伝子を符号化ＯＬＡ（Ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ　Ｌｉｇａｔｉｏｎ　Ａｓｓａｙ）を行うことにより符号化核酸に変換する。そして、符号化核酸の３’と５’末端にある共通配列によりＰＣＲ増幅すれば、正確にそれらの発現比を検出してもよい。符号化ＯＬＡについての詳細は後述する。なお、符号化核酸への変換は、符号化ＯＬＡ以外でも実現可能である。
【００６６】
２．詳細な説明
（１）分子計算装置の具体例
以下に更に詳細に本発明を説明する。本発明の計算装置の具体例を図３に示す。図３に示した計算装置は、電子計算部２１と分子計算部２２と核酸合成装置３０からなる。電子計算部２１は通信部２３を、分子計算部２２は通信部２４を備える。これら通信部２３及び通信部２４の間でデータの送受信を行うことにより、電子計算部２１と分子計算部２２との間の情報通信が可能となる。図１の例では、核酸合成装置は分子計算部２２内に組み込まれる場合を示したが、図３では、分子計算部２２とは別個に設けられている。
【００６７】
電子計算部２１の通信部２３は核酸合成装置３０に電気的に接続され、通信部２３から送信された核酸合成命令に基づき核酸合成装置３０が核酸合成を実行できるように構成されている。核酸合成装置３０は例えば通信部２３からの命令に基づき核酸容器や核酸分子を制御する制御部を備える。そして、制御部の制御に基づき合成された核酸は、核酸容器に収容されたまま容器ごと分子計算部２２に搬送される。なお、核酸合成装置３０を分子計算部２２に設けることもできる。この場合、核酸合成装置３０から分子計算部２２に搬送させる搬送系を分子計算部２２とは別個に設ける必要が無い。核酸容器の搬送は搬送機構により行っても、マニュアルで行ってもよい。
【００６８】
なお、核酸合成装置３０は電子計算部２１と接続しなくてもよい。この場合、電子計算部２１で核酸合成に必要なデータを出力し、その出力結果に基づきマニュアルで核酸合成を行えばよい。
【００６９】
電子計算部２１は、図１の演算部１４に相当する構成として翻訳・計算計画立案・実行部１４ａ、核酸配列計算部１４ｂ、検出結果解析部１４ｃを備える。記憶部１３から所定のプログラムが読み出されることにより演算部１４がこれら各部分１４ａ〜１４ｃとして機能する。また、これら各部分１４ａ〜１４ｃなどと入出力制御部１２を介して入力部１１、図１の出力部２０としての表示部２０ａ及びプリンタ２０ｂが接続される。
【００７０】
分子計算部２２は、図１の演算部１５、記憶部１６、入出力制御部１７、入力部１８、出力部１９として機能する自動制御部１５１，ＸＹＺ制御ピペッタ１５２，サーマルサイクラ反応容器１５３、ビーズ容器１５４、酵素容器１５５、緩衝液容器１５６、核酸容器１５７、検出部１５８、温度制御手段１５９、搬送機構１６０を有する。
【００７１】
分子計算部２２は、通信部２４に接続された自動制御部１５１を備える。この自動制御部１５１は、ＸＹＺ制御ピペッタ１５２と、核酸の反応を実行するサーマルサイクラ反応容器１５３と、ビーズを保持するビーズ容器１５４と、酵素を保持する酵素容器１５５と、緩衝液を保持する緩衝液容器１５６と、核酸を保持する核酸容器１５７、温度制御手段１５９、搬送機構１６０を自動制御するため、これら各構成（１５２〜１５７、１５９、１６０）に駆動信号を出力する。これら各構成（１５２〜１５７、１５９、１６０）は、この駆動信号を受けて駆動することにより、分子の反応や反応条件を制御する。従って、これら各構成（１５２〜１５７、１５９、１６０）は、全体として反応制御部として機能し、それぞれは反応制御要素として機能する。
【００７２】
自動制御部１５１による制御は、通信部２４を介して電子計算部２１から送信された制御命令に基づき実行される。反応容器１５３〜１５７は、ビーカー、試験管若しくはマイクロチューブ等、核酸などを含む溶液を収容する容器であれば何でもよい。
【００７３】
サーマルサイクラ反応容器１５３は、温度調節の可能な反応容器でよい。例えば、一般的に使用されているサーマルサイクラと組み合わせることにより実現可能である。また、この例では、担体としてビーズを用いた場合の例を示したが、他の担体を用いることも可能である。その場合、ビーズ容器１５４に代えてまたはビーズ容器に加えて、適切な構成要素を具備することが可能である。酵素容器１５５は、酵素を失活から守るためにクーラー等の温度制御手段１５９と共に具備されてもよい。必要であれば、他の保持手段にもクーラーまたはヒーター等の温度制御手段１５９を配置してもよい。
【００７４】
サーマルサイクラ反応容器１５３における反応は、制御命令に沿って実行される。例えば、各種容器１５４〜１５７などから所望する容量の内容物をＸＹＺ制御ピペッタ１５２により分取した後、所望する温度等の条件に従って反応が実施される。各部分における動きは、分子計算部内の自動制御部１５１により制御される。ＸＹＺ制御ピペッタ１５２は、自動制御部１５１により制御されて、所望に応じてＸＹＺ方向および／または上下に移動するピペッタである。
【００７５】
搬送機構１６０は、自動制御部１５１からの制御命令に基づき、例えば各容器１５３〜１５７を他の図示しない容器収容手段との間で、あるいは検出部１５８との間で搬送する。
【００７６】
反応終了後、検出部１５８において反応産物の検出および同定が実施される。検出部１５８は、電気泳動装置、シークエンサー、化学発光測光器および蛍光光度計等の一般的に核酸分子を検出および解析するために使用される何れの検出手段または解析手段により実現されてもよい。
【００７７】
電子計算部２１で生成された制御命令は通信部２３に出力される。通信部２３は、これら制御命令を通信部２４を介して分子計算部２２に送信する。分子計算部２２は、受信した制御命令に基づき各構成を制御することにより、分子計算を実行させる。計算結果は通信部２４により、通信部２３を介して電子計算部２１に送信される。
【００７８】
通信部２３，２４は、ケーブル等の有線の通信手段により実現されるものでも、また、電波等の無線の通信手段によって実現されるものでもよい。
【００７９】
電子計算部２１で生成された核酸合成命令は通信部２３に出力される。通信部２３は、これら核酸合成命令を核酸合成装置３０に出力する。核酸合成装置３０は、受信した核酸合成命令に基づき各構成を制御することにより、核酸合成を実行させる。合成の結果物としての核酸分子を収容した核酸容器は分子計算部２２に搬送される。もちろん、核酸容器中の核酸分子のみを分子計算部２２の核酸容器中に運ぶようにしてもよい。
【００８０】
電子計算部２１の演算部１４の機能の一例を図１０のフロー図に沿って以下説明する。
【００８１】
（翻訳・計算計画立案・実行部１４ａ）
翻訳・計算計画立案・実行部１４ａは、入力部１１から入力された初期値を含む原始プログラムを翻訳して実行手順テーブルを生成する翻訳処理（（Ｓ２ａ）〜（Ｓ２ｃ））、実行手順テーブルを計算計画のレベル（制御命令）に変換して制御命令手順テーブルを生成する制御命令生成処理（Ｓ５）、生成された計算計画に基づき計算計画を分子計算部２２に実行させる計算計画実行処理の３つの処理を実行する。
【００８２】
翻訳処理は、第１の変換処理〜第３の変換処理からなる。
【００８３】
第１の変換処理（Ｓ２ａ）は、例えば分岐処理やループ処理などのアルゴリズムを含む原始プログラムを制御命令に変換可能な順次処理アルゴリズムを主体とした順次処理プログラムに変換する処理である。
【００８４】
第２の変換処理（Ｓ２ｂ）は、この順次処理プログラムの各命令を符号分子及び符号分子の演算反応を用いた化学反応レベルの表現に変換して演算反応手順テーブルを生成する処理である。
【００８５】
第３の変換処理（Ｓ２ｃ）は、演算反応手順テーブルを分子計算部２２の各構成の動作レベル表現の駆動動作表現に変換して実行手順テーブルを生成する処理である。
【００８６】
第１の変換処理を経由せずに第２，第３の変換処理を先に実行した後、第１の変換処理を実行するようにしてもよい。
【００８７】
第２の変換処理は、原始プログラムで定義される定数や変数などのデータを符号分子に対応付けるとともに、原始プログラムで定義される手続または関数を演算反応に対応付ける。データと符号分子の対応付けは、予め記憶部１３に格納された符号分子参照テーブルを、手続または関数と演算反応の対応付けは手続または関数−演算反応対応データテーブルを用いる。
【００８８】
符号分子参照テーブルは、ある符号分子と他の符号分子の相関関係が定義されている。例えばある符号分子をプログラム中のある変数に対応付けることを第２の変換処理で決定した場合、他の変数と符号分子との対応付けは、符号分子参照テーブルを参照し、最初に定義された符号分子との相関関係に基づき、適切な符号分子に決定することにより実行される。相関関係とは、例えばある符号分子と他の符号分子との相補性などである。また、各符号分子は塩基配列のレベルまで特定されている。
【００８９】
手続または関数−演算反応対応データテーブルは、手続に対して複数の制御命令が対応付けられたテーブルである。図１１は手続または関数−演算反応変換データテーブルの一例を示す図である。この図１１では、演算反応を文章で表したが、実際に電子計算部２１上でデータテーブルとして格納するデータ形式としては、動作、器具、配列、符号分子などの要素毎に区分けしてそれぞれを識別可能に表現しておく。
【００９０】
順次処理プログラムは、データと手続または関数の組み合わせにより定義されている。従って、手続または関数を演算反応に置換した手順における要素の一つである符号分子に、符号分子を割り当てることにより、演算反応手順テーブルが生成される。また、符号分子の割り当てのみならず、器具や配列の割り当てを符号分子の割り当てと同様に行ってもよい。
【００９１】
生成された演算反応手順テーブルの一例を図１２に示す。図１２に示されるように、各演算手順毎に演算反応とその演算反応を特定する変数や定数が示されている。また、この演算手順では、分子計算部２２の各器具との対応付け（例えば試験管Ｔは５つある核酸容器１５７のうちの２番目など）はなされていない。また、演算反応を実行するための動作（例えば取り出すなど）は特定されるが、その動作の表現形式では未だ分子計算部２２の自動制御部１５１が各構成を制御する命令として認識できるレベルではない。
【００９２】
なお、この第２の変換処理では、符号分子参照テーブルを用いてデータ（変数、定数）と符号分子の割り当てを実行したが、符号分子参照テーブルには、実際に分子計算部２２内で既に試薬として準備されている符号分子以外は登録されていない。従って、登録されていない符号分子については、必要とする符号分子を得るための核酸合成を行う必要がある。従って、翻訳・計算計画立案・実行部１４ａは、登録されていない符号分子の核酸配列取得命令を核酸配列計算部１４ｂに行う。核酸配列計算部１４ｂの詳細な機能は後述する。
【００９３】
第３の変換処理は、演算反応−実行動作変換テーブルを用いて演算反応手順テーブルを分子計算部２２の各構成の動作レベル表現の実行動作に変換して実行手順テーブルを生成する。演算反応−実行動作変換テーブルでは、通常１つの演算反応に対して複数の実行動作が対応付けられている。通常、ある演算反応を実行するには、分子計算部２２の構成を制御する動作が複数必要だからである。もちろん、１つの演算反応に対して１つの実行動作が対応付けられていてもよい。
【００９４】
この演算反応−実行動作変換テーブルを用いて変換された実行手順テーブルの一例を図１３に示す。図１３に示すように、ある演算手順が複数の実行動作に対応付けられている。また、手順の内容は分子計算部２２の自動制御部１５１が各構成を制御する命令として認識可能なレベルであるが、未だ分子計算部２２の実際の構成との対応付け（例えば試験管Ｔは５つある核酸容器１５７のうちの２番目など）はなされていない。
【００９５】
計算計画生成処理は、翻訳処理で得られた実行手順テーブルに基づき制御命令手順テーブルを生成する。制御命令手順テーブルの生成には、装置データ及び装置制約条件データが用いられる。
【００９６】
計算計画生成処理では、まず装置データを参照し、実行手順テーブルの各実行手順を制御命令に変換する。制御命令とは、自動制御部１５１に与えられる命令である。この制御命令を受けて、自動制御部１５１は分子計算部２２の各装置（図３にいうピペッタ１５２、容器１５３〜１５７、搬送機構１６０など）を制御する。
【００９７】
より具体的には、制御命令に変換するため、各実行手順の装置を装置データに基づき実際の装置構成への割り当てを行う。この割り当てにより、各実行動作は分子計算部２２の実際の装置を特定し、その装置に対して制御を行うことのできる命令のレベルとなる。実行動作テーブルの実行動作では、自動制御部１５１は物理的な構成を認識できない。従って、例えば２つのピペッタ１５２が分子計算部２２内に設けられていた場合には、いずれのピペッタ１５２を動作させるものかは分からない。これに対して制御命令は、２つのピペッタ１５２ａ，１５２ｂのうちのピペット１５２ａを動作させるというレベルまで特定されている。
【００９８】
また、実行動作を制御命令に変換する毎に、装置制約条件データを参照し、装置制約条件に基づく追加制御命令を付加する。装置制約条件データは、例えば反応容器などの各容器１５３〜１５７の数及び容量、ＸＹＺ制御ピペッタ１５２の数及び抽出量、試薬の数や配置、温度制御手段１５９による温度制御速度、搬送機構１６０の搬送速度、各構成間の距離などである。実行動作の制御命令への変換の際には装置資源が無限であるという前提でなされている。しかし、実行動作を１：１で制御命令に変換すると、分子計算部２２の装置の制約により、続行が不可能な処理が生じる場合がある。例えば、反応容器の数は２つであるため、３つの反応容器を同時に用いる処理を続行できないなどである。この場合、そのような装置制約条件を予め記憶部１３に登録しておき、これを参照することにより、続行できなくなる場合の処置を設定することができる。処置の例としては、例えば図示しないアラームなどの報知手段によりオペレータに対して反応容器の追加を要求する警告を発する制御命令の追加、反応容器が追加されたか否かを図示しない検知器で検知する制御命令などである。この装置制約条件に基づく追加制御命令毎に制御命令番号を付加する。なお、制御命令番号には、演算手順番号、実行手順番号などを関連づけておくのが好ましい。また、得られた制御命令は、分子計算部２２における制御対象が明確になっているため、制御対象を関連づけておく。
【００９９】
このようにして得られた制御命令手順テーブルの一例を図１４に示す。図１４に示すように、制御対象が明確になり、かつ装置制約条件を考慮したシーケンスとなっている。
【０１００】
なお、ＸＹＺ制御ピペッタにより核酸溶液を吸引する制御命令と、反応容器に移送する制御命令のように、一連の制御命令として定型化されるものがあれば、手続を制御命令セットに変換し、この制御命令セットを分子計算部２２に送信してもよい。特に、１つの演算反応から生じる複数の制御命令は、定型化が容易である。この場合、自動制御部１５１には制御命令セットと制御命令を対応付けたデータテーブルを有し、このデータテーブルに基づき制御命令セットを制御命令に変換し、各構成を制御するのが好ましい。また、自動制御部１５１がこのようなデータテーブルを持たず、各装置（例えばＸＹＺ制御ピペッタ１５２，搬送機構１６０など）が制御命令セットを自動実行するようにしてもよい。
【０１０１】
計算計画実行処理では、計算計画生成処理で得られた制御命令手順テーブルに基づき、制御命令を制御命令番号順に自動制御部１５１に出力する。これにより、自動制御部１５１は自動で分子計算に必要な各装置の制御を実行することができる。もちろん、装置の制約に基づき人手が介在する必要がある場合には、そのような制御も装置に対して行う。例えば、反応容器を指定位置に補充する警告がアラームされれば、オペレータは指定された反応容器を指定位置に補充する。これにより、オペレータは分子計算部２２の計算の進捗状況を常に監視する必要が無くなる。
【０１０２】
以上の処理例では、制御命令生成処理で装置制約条件データに基づき装置制約を考慮した制御命令を生成する場合を示したが、装置資源が充分にある場合にはこの処理は無くてもよい。
【０１０３】
また、予め制御命令手順テーブルを生成し、制御対象を特定した後で分子計算を実行する場合を示したが、これに限定されない。例えば、各制御命令を実行する都度装置資源の利用の有無をチェックする利用有無チェックセンサを各装置（ＸＹＺ制御ピペッタ１５２，容器１５３〜１５７など）に設け、そのセンサの検出データに基づき自動制御部１５１が自動で制御対象を割り当てていく方式でもよい。
【０１０４】
また、装置データは、図３のような構成に限られることなく、利用する分子計算機の装置構成に応じて種々変更可能である。利用する分子計算機の装置構成と、その装置における実行動作と演算反応との対応付け（演算反応−実行動作変換テーブル）さえ装置データとして登録しておけば、いかなる装置構成の分子計算機であっても本発明の分子計算の対象とすることができる。すなわち、異なる分子計算部毎に装置データ、装置制約条件データ、演算反応−実行動作変換テーブルを登録すれば、電子計算部の他の構成を変えることなく容易に異なる装置構成からなる分子計算部に分子計算を実行させることができる。
【０１０５】
また、第１変換処理〜第３変換処理は、必ずしもすべて電子計算部２１でなされる必要は無い。分子計算部２２の自動制御部１５１を電子計算部２１の演算部１４と同様に機能させることにより、自動制御部１５１側で実行してもよい。
【０１０６】
また、以上に示された翻訳・計算計画立案・実行部１４ａは、プログラムを順次処理形式に変換して制御命令手順を作成する場合を示したが、これに限定されるものではない。例えば、ある計算結果に基づく条件分岐処理などがある場合には、その計算結果（検出結果）を一旦検出部１５８から翻訳・計算計画立案・実行部１４ａが受信する。そして、その計算結果に基づき条件分岐処理を行い、分岐した後の制御命令手順を新たに分子計算部２２に与える。これにより、条件分岐した場合でも自動で分子計算が続行できる。その他、制御命令手順がすべて終了する前に一旦検出結果を電子計算部２１が検出部１５８から受け取り、その検出結果を反映させた分子計算を続行することにより、自動計算が実行できる。
【０１０７】
また、第２変換処理におけるデータ−符号分子対応付け処理は符号分子参照テーブルを参照して翻訳・計算計画立案・実行部１４ａが自動で実行する場合を示したが、これに限定されるものではない。変数や定数と符号分子をマニュアルで行ってもよい。
【０１０８】
（核酸配列計算部１４ｂ）
核酸配列計算部１４ｂは、翻訳・計算計画立案・実行部１４ａにおける翻訳処理のうち、データ−符号分子対応付け処理で与えられた符号分子に対応する核酸配列を計算する。データ−符号分子対応付け処理で与えられた符号分子は、数多く与えられる。また、符号分子参照テーブルに登録されている符号分子は数に限りがある。従って、足りない符号分子の塩基配列は、核酸配列計算部にて計算を行い配列を設計する。具体的には、既に符号分子参照テーブルに登録されている符号分子とクロスハイブリダイゼーションを起こさないような、最適な二重鎖の融解温度（Ｔｍ）と、大きい２次構造の自由エネルギー値を持つ塩基配列を設計する。クロスハイブリダイゼーションは、符号分子参照テーブルに既にある配列とハイブリダイゼーションのシミュレーションを行いチェックする。融解温度や自由エネルギー値は配列から容易に計算できる。従って、適切な融解温度や自由エネルギー値の配列を選別する。これらの計算により、合成すべき核酸の配列が決定される。
【０１０９】
核酸配列計算部１４ｂは、得られた核酸配列計算結果を核酸配列合成装置３０に通信部２３を介して送信する。核酸配列合成装置３０は、与えられた核酸配列計算結果に基づき、自動あるいはマニュアルで核酸を合成し、得られた核酸溶液を核酸容器に収容して分子計算部２２に自動あるいはマニュアルで搬送する。核酸配列合成装置３０は、合成された核酸溶液が収容された核酸容器を識別する核酸容器識別情報を翻訳・計算計画立案・実行部１４ａに送信する。翻訳・計算計画立案・実行部１４ａは、受信した核酸容器識別情報に基づき、制御命令生成処理において制御命令手順テーブルを生成する。これにより、装置データとして登録されていない計算用機材が分子計算部２２に導入される場合であっても自動の分子計算に組み込むことができる。
【０１１０】
なお、この核酸配列計算部１４ｂは、別の装置で核酸溶液を準備するものであれば電子計算部２１で実行する必要は無い。また、必要とする塩基配列を有する核酸溶液がすべて登録されている場合には、この核酸配列計算及び核酸合成は省略可能である。
【０１１１】
（検出結果解析部１４ｃ）
検出結果解析部１４ｃは、分子計算部２２の検出部１５８で得られた検出結果を通信部２４，２３を介して受信し、表示部２０ａやプリンタ２０ａで出力する。また、検出結果のみならず、例えば検出結果を解析し、その解析結果を出力するのが好ましい。また、翻訳・計算計画立案・実行部１４ａ及び核酸配列計算部１４ｂなどで計算された結果を適宜出力してもよい。
【０１１２】
検出部１５８からの検出結果は、ＤＮＡの反応結果そのものであり、利用者が希望する情報では無いことが多い。従って、反応結果を利用者に分かる情報に変換する作業が必要になる。この変換作業は、検出結果解析部１４ｃにより自動で実行することができる。なぜなら、この変換作業は、利用者に分かる情報としての原始プログラムから、分子計算部２２が認識可能な制御命令手順テーブルへの変換作業の逆変換を行えばよいからである。
【０１１３】
具体的には、検出結果の解析は、例えば記憶部１３から制御命令手順テーブル、装置データ、実行手順テーブル、演算反応手順テーブル、符号分子参照テーブル、手続または関数−演算反応変換テーブルなどを参照することにより実行することができる。
【０１１４】
ある反応結果から原始プログラムの解のレベルへ変換を行う解析処理を行う場合を考える。反応結果は、化学反応であり、その検出結果が検出部１５８で得られる。この検出部１５８の検出結果のそれぞれのデータがどの制御命令、実行手順、演算反応、符号分子に対応しているかは、制御命令手順テーブル、実行手順テーブル、演算反応手順テーブル、符号分子参照テーブル、手続または関数−演算反応変換テーブルなどを参照することにより可能である。この解析処理により、反応結果は利用者に利用可能な情報に変換される。従って、利用者は何ら電子計算部２２における操作内容などを意識することなく計算結果を理解することが可能となる。
【０１１５】
なお、この解析処理は必須では無い。例えば、反応結果がそのまま利用者の必要とする情報である場合である。この場合、検出部１５８からの検出結果を全く変換せず、あるいは実行手順のレベル、制御命令のレベル、演算反応のレベル、符号分子のレベルなど、種々のデータ表現形式に解析することにより、利用者の必要とする情報が得られる。特に、遺伝子情報解析の場合には、遺伝子情報のレベルまで解析処理を行えばよい。
【０１１６】
電子計算部における処理手順の例を説明する。
【０１１７】
まず、入力部１１から入力された初期値を含む原始プログラムは入出力制御部１２により内部コードに変換されたのち記憶部１３に記憶される。内部コードとは、電子計算部２１の演算部１４が電気学的に認識可能であってデータ処理可能なコードをいう。次に、この内部コードに変換された原始プログラムが翻訳・実験計画立案・実行部１４ａにおいて、符号分子および符号分子の演算反応手順テーブルに変換され、且つ演算反応の実行手順テーブルが生成される。続いて記憶部１３に記憶される。また、必要に応じて、核酸配列計算部１４ｂは、演算反応手順テーブルを基に符号分子を計算する。この計算結果は核酸合成装置３０に送られる。核酸合成装置３０は、得られた計算結果に基づき核酸を合成し、得られた結果物を分子計算部２２に搬送する。また、核酸合成装置３０は、得られた結果物を自動計算に組み込むため、得られた核酸溶液を装置として識別する情報を電子計算部２１に送信する。
【０１１８】
これらの工程において扱われる情報は、常に結果解析部１４ｃを経て表示部に表示されてもよい。或いは、所望する情報のみを随時表示されるように設定されてもよい。必要に応じてプリントアウトされてもよい。
【０１１９】
本発明において、分子計算部２２は、ハイブリダイゼーション反応、酵素反応、抗原抗体反応のような生物学的特異反応の開始から終了までに関わる工程または手段を少なくとも含んでいるものとする。ここで、反応の開始時点は、早ければ反応対が有意に選択性を示すと認められる段階を少なくとも含み、遅くとも検出、分離等の目的が達成できる直前の時点を含んでいる。また、反応の終了時点は、早ければ検出、分離等の目的が達成できた最も早い時点を少なくとも含み、遅ければ検出、分離等の目的が充分に達成できる経過時間よりも長い時点を含むことができる。
【０１２０】
図２に、本発明の分子計算部２２のより詳細な配置例を示す。例えば、分子計算部には、８本取りチップラック３１、１本取りチップラック０番３２、１本取りチップラック１番３３、９６穴マルチタイタープレート（以下、ＭＴＰと称す）２番３４、９６穴ＭＴＰ０番３５、１．５ｍＬチューブラック３６、９６穴ＭＴＰ１番３７、サーマルサイクラー９６穴ＭＴＰ３８およびチップ廃棄口３９を配置することが可能である。しかしながら、これにより何ら制限されるものであり所望に応じて各種変更が可能である。
【０１２１】
（２）分子計算部における分子計算
（ａ）３ＳＡＴへの適用
以下に説明する、本発明の１態様に従う分子計算装置における分子計算は、上述した項目Ｉに記載した本発明の各態様であってよい。
【０１２２】
以下では、代表的なＮＰ完全問題である三和積形命題論理式の充足可能性判定問題（３ＳＡＴ）を解くための計算を本発明の分子計算装置を適用して実行する例を説明する。
【０１２３】
最初に従来のエーデルマン−リプトンパラダイムに基付くＤＮＡ計算の問題点を説明する。エーデルマン−リプトンパラダイムに基付くＤＮＡ計算の場合、最初に全ての解の候補を表現するＤＮＡ分子のプールを生成する必要があることが問題である。ＮＰ完全問題の解の候補数は変数の数に対して指数関数的に増大するものである。従って、問題のサイズが大きくなると、超大容量メモリを備えたＤＮＡコンピュータでも全ての解の候補を含む完全なプールを生成できない危険性が生じる。これが、エーデルマン−リプトンパラダイムが内包する深刻なスケール問題である。
【０１２４】
エーデルマン−リプトンパラダイムを上述の３ＳＡＴに適用する場合を考える。論理変数の数を１００とすると、解の候補は２^１００＝１．３×１０^３０にもなる。１変数を１５塩基対のＤＮＡ分子で表現すると、完全なプローブを生成するためには少なくとも２００万トンという非現実的な量のＤＮＡ分子が必要になる。１分子で一つの解の候補を表現したのでは計算反応の途中で失われてしまう危険性が高い。従って、実際にはより大量のＤＮＡ分子が必要である。変数の数が２００になると、少なくとも地球の質量の約４０兆倍ものＤＮＡ分子が必要となる。これでは実際に問題を解くことは不可能であると言わざるを得ない。
【０１２５】
そのような状況において、発明者らは、ダイナミック・プログラミングに基付いたアルゴリズムを分子計算装置（ＤＮＡコンピュータとも称することができる）で実行することによりＮＰ完全問題を解くことを考えた。即ち、エーデルマン−リプトンパラダイムのように最初から全ての解の候補を生成するのではなく、部分の問題の解の候補を生成してその中から解を選択抽出する。この操作を部分問題のサイズを逐次的に大きくしながら繰り返し、最終的に本来の問題の解を得るのである。このようにすれば、生成される解の候補の数を大幅に減らすことができる。
【０１２６】
ここで、後述する（１．１）準備の項目おいて記載する分子の設計は、まず原始プログラムから、電子計算部の翻訳・実験計画立案・実行部において必要な情報に変換される。その後、核酸配列計算部において所望する条件に適切な核酸配列が設計される。また、前記の工程は、電子計算部の演算部において行うことも可能である。電子計算部において得られた情報に基付いて核酸が合成され、分子計算部において分子計算が実行される。
【０１２７】
（ｂ）３ＳＡＴのプログラム
ＮＰ完全問題の代表例である３ＳＡＴは、例えば、次のようなプログラムに従ってＤＮＡ計算を実行することにより、ダイナミックプログラミングのアルゴリズムに基付いて解くことができる。
【０１２８】
【数１】

ここで、記号の「∧」は論理積、「∨」は論理和、「¬」は否定を表す。
【０１２９】
【数２】

【０１３０】
本装置を用いて４変数１０節の３ＳＡＴ問題を解いた。問題を数式１に、問題の解を数式２に示す。数式１の問題の論理式はｘ_１、ｘ_２、ｘ_３、ｘ_４の４つの変数からなり、３ラテラルの節が１０個、論理積で結合されている。この式を満たす変数の値の組、すなわち解が有るかどうか、有るならばその変数の値の組を求めるのが目的である。
【０１３１】
【数３】

【０１３２】
この問題を解くために数式３に示すプログラムを本装置で実行する。記述法はパスカルに準じている。具体的には、数式３に示すプログラム（ｄｎａ３ｓａｔ）を原始プログラムとして図１の入力部１１で入力する。入力された原始プログラムは、翻訳などを経て制御命令手順テーブルが生成され、分子計算部２２で分子計算が実行される。そして、（ｓ２）〜（ｓ８）のステップを経て数式３に示す計算結果が得られる。
【０１３３】
関数ｄｎａ３ｓａｔが、問題を与えたときに解が存在した場合に解を出力するメイン関数である。この関数ｄｎａ３ｓａｔ中には関数ｇｅｔｕｖｓａｔが組み込まれている。これら関数ｄｎａ３ｓａｔと関数ｇｅｔｕｖｓａｔはｇｅｔ、ａｍｐｌｉｆｙ、ａｐｐｅｎｄ、ｍｅｒｇｅ、ｄｅｔｅｃｔの５つの基本関数で構成されている。基本関数のうちｇｅｔ、ａｍｐｌｉｆｙ、ａｐｐｅｎｄは、原始プログラムの手続または関数として図１５から図１８に示す化学反応により実行される。
【０１３４】
次に各基本関数に対応付けられた化学反応、化学反応に付随する操作を説明する。最初に、図１５に従ってｇｅｔ（Ｔ，＋ｓ）、ｇｅｔ（Ｔ，−ｓ）関数について述べる。
【０１３５】
関数ｇｅｔは、オリゴヌクレオチドの混合溶液Ｔ（ｔｕｂｅ）から、ｓなる配列を含む１本鎖のオリゴヌクレオチドまたは該配列を含まないオリゴヌクレオチドを取得する反応操作を符号分子の演算反応として定義した関数である。ここで、ｓとは数塩基または数十塩基の特定の配列を示している。ｇｅｔ（Ｔ，＋ｓ）はｓ配列を含むオリゴヌクレオチドを、ｇｅｔ（Ｔ，−ｓ）はｓを含まないものを取得する。Ｔ，＋ｓ，−ｓは、分子を核酸配列に基づき符号化した符号分子に対応付けて定義される変数である。
【０１３６】
まず、ｓに相補的な配列を持ち５’端ビオチンを標識したオリゴヌクレオチドをＴに入れ、ｓ配列を備えたオリゴヌクレオチドとアニーリングさせる。
【０１３７】
このアニーリングでできたハイブリッドを、例えば、ストレプトアビジンを表面に結合した磁気ビーズで捕獲する。このあとｓ配列に相補的なオリゴヌクレオチドのなすハイブリッドが解離しない温度で磁気ビーズの緩衝溶液で洗浄する（即ち、コールドウォッシュする）。これにより、ｓ配列を持たないオリゴヌクレオチドを緩衝液から取得でき、ｇｅｔ（Ｔ，−ｓ）が実行できる。
【０１３８】
また、関数ｇｅｔ（Ｔ，＋ｓ）の実行は、コールドウォッシュが終わってから、ハイブリッドが解離するような比較的高温の緩衝溶液で磁気ビーズを洗えばよい。これにより、その緩衝溶液からｓ配列を持つオリゴヌクレオチドを取得できる。即ち、１つの操作で２つの関数が実行できる。
【０１３９】
次に、図１６に従って関数ａｐｐｅｎｄ（Ｔ，ｓ，ｅ）の反応について述べる。ｅは、分子を核酸配列に基づき符号化した符号化分子に対応付けて定義される変数である。
【０１４０】
この関数は、オリゴヌクレオチドの混合液Ｔの中でｅ配列をその３’端に備えた１本鎖ＤＮＡの３’端に、ｓなる配列を備えたオリゴヌクレオチドをライゲーションにより連結し、そのｓ配列が連結された１本鎖のオリゴヌクレオチドを取得する反応操作を符号分子の演算反応として定義した関数である。ここで、ｓ、ｅとは先に述べたのと同様に数塩基若しくは数十塩基の特定の配列を指す。
【０１４１】
この関数ａｐｐｅｎｄ（Ｔ，ｓ，ｅ）の反応では、次のオリゴヌクレオチドを用いる。
【０１４２】
ｓ配列のオリゴヌクレオチドは、この５’端がリン酸化されている。また、連結オリゴヌクレオチドは、５’端にビオチン標識されており、５’端側のｓに相補的な配列と３’端側のｅに相補的な配列とを隣接して含有する。これらをチューブＴに入れて反応を始めると連結オリゴヌクレオチドは、Ｔ中の標的オリゴヌクレオチド配列ｅとｓ配列オリゴヌクレオチドとでハイブリッドを形成する。このハイブリダイゼーション反応は、ミスマッチのハイブリッドが形成されないように比較的高温で行い、Ｔａｑライゲースなど高温で活性の高い酵素を用いて連結される。このあとストレプトアビジン磁気ビーズなどによりハイブリッドを捕獲し、ハイブリッドが解離するような高温で洗えば（即ち、ホットウォッシュ）、３’末端にｓ配列が連結されたオリゴヌクレオチドを回収することができる。
【０１４３】
次に図１７に従って、ａｍｐｌｉｆｙ（Ｔ、Ｔ_１、．．．．Ｔ_ｎ）関数の反応について述べる。このａｍｐｌｉｆｙ（Ｔ、Ｔ_１、．．．．Ｔ_ｎ）関数の反応は、反応溶液Ｔに含まれるオリゴヌクレオチドをＰＣＲ反応により増幅し、増幅され二本鎖になったオリゴヌクレオチドを１本鎖に変えてから、Ｔ_１、．．．Ｔ_ｎなるｎ個の反応溶液に分割する反応である。本実施例ではＴに含まれるオリゴヌクレオチドの両端には共通な増幅用の配列が具備され、１組のプライマーにより全てのＴ中のオリゴヌクレオチドを増幅できるようにしている。プライマーのうち、増幅対象のオリゴヌクレオチドの３’端に相補的な配列をもつものの５’端にはビオチン標識が施されている。Ｔのオリゴヌクレオチドをこの共通プライマーにより増幅し、ストレプトアビジン磁気ビーズにより捕獲する。これを９４℃などの高温で全ての２本鎖が解離するように洗浄すれば、もともとＴに含まれていた側の鎖が緩衝溶液中に抽出できる。この抽出溶液を均等にＴ_１、．．．Ｔ_ｎのｎ個の反応溶液に分割すればよい。
【０１４４】
関数ｍｅｒｇｅは、引数の複数の溶液を１つの溶液に纏める反応操作を符号分子の演算反応として定義した関数である。
【０１４５】
最後に関数ｄｅｔｅｃｔを図１８に従って説明する。検出は、手動による反応で実施することも可能である。関数ｄｅｔｅｃｔを本装置により行う方法の例を以下に示す。ここではｇｒａｄｕａｔｅｄ　ＰＣＲなる、エーデルマンの論文（Ｓｃｉｅｎｃｅ，　２６６，　１０２１−４）において開示された検出手段を用いて行う例を示す。
【０１４６】
図１８において、本装置で生成される解を示す核酸分子は、５’端から順に４つの変数が真（即ち、Ｔ、ｔｒｕｅ）または偽（即ち、Ｆ、ｆａｌｓｅ）を表す配列が連結した配列を有す。この解の配列は、同じく図１８に示す全ての可能な解を検出できるようなプライマーにより個別にＰＣＲ増幅する。図中、配列名の上に引いた横線は、相補配列を示す。仮に、図１８の最初に示すような配列の解が得られていると、図１８の最後に示すプライマーの組で、且つ図示した長さのＰＣＲ産物が得られる。これら産物の存在と長さをゲル電気泳動にて確認すれば、ＰＣＲ産物の得られたプライマーから解の配列が明らかになる。なお、関数ｄｅｔｅｃｔは、ＤＮＡチップによる出力も含まれる。
【０１４７】
以上の関数を表１に纏めた。
【０１４８】
【表１】

【０１４９】
上述の数式３に示すプログラムの主たる関数はｄｎａ３ｓａｔである。その中に先に述べた基本関数と、基本関数からなる関数ｇｅｔｕｖｓａｔが組み込まれている。このように、基本関数を組み合わせて新たに手続または関数を定義し、この手続または関数を用いたプログラムを作成することが可能である。最初にプログラム上の変数名の説明を行う。
【０１５０】
Ｔとはチューブ（ｔｕｂｅ）の略であり、Ｔ_２とはｘ_１、ｘ_２の２変数の取りうる全ての真偽の組４つを表すオリゴヌクレオチドを含む溶液である。Ｘ_１ ^Ｔとは、変数ｘ_１の値が真であることを示すオリゴヌクレオチドで長さは２２塩基である。Ｘ_２ ^Ｆとは、変数ｘ_２の値が偽であることを示すオリゴヌクレオチドであり、長さは同じく２２塩基である。よってＴ_２に含まれるオリゴヌクレオチドの１つ、Ｘ_１ ^ＴＸ_２ ^Ｆは４４塩基の長さの、ｘ_１＝１、ｘ_２＝０なる割り当てを表す１本鎖のオリゴヌクレオチドである。ｊ、ｋはループの進行状態を表す整数で、ｊは問題の論理式の何節目を計算しているかを示し、ｋは何番目の変数を計算しているかを表す。ｕ、ｖ、ｗは問題の論理式の各節内のひとつひとつのリテラルを示す。各リテラルは、数式１の問題であれば、ｕ_１＝ｘ_１、ｖ_２＝ｘ_２、ｗ_１＝¬ｘ_３となる。配列名Ｘの上にあるバーは相補配列を意味する。また、Ｘの右肩のＴ／ＦはＴおよびＦを指し、Ｘ^ＴとＸ^Ｆを意味する。
【０１５１】
以下、数式３のプログラムを図２０のフローチャートに沿って順を追って説明する。実際にはプログラム解釈部がこのプログラムの関数および条件分岐、ｆｏｒループを一連の実験操作に展開して実験計画を立てる。最初に問題の理論式はプログラムでの処理を容易にするために、各節で変数の添え字の昇順にリテラルを並べ替えておく。また、２変数ｘ_１、ｘ_２に可能な割り当てを全て行った溶液Ｔ_２を準備しておく。
【０１５２】
関数ｄｎａ３ｓａｔにおいて、最初のｆｏｒループのｋ＝３、即ち、ｘ_３に割り当てる値を決定するループについて説明する。最初にａｍｐｌｉｆｙ関数でＴ_２を増幅する。この場合、増幅後、Ｔ_２と同じオリゴヌクレオチドを持つＴ_ｗ ^Ｔ、Ｔ_ｗ ^Ｆに分注し、計３本の溶液チューブを得る。次にｋのループ内のｊのｆｏｒループに入る。ここでは、論理式の第ｊ番目の節の充足性を評価する。第１の条件分岐で、ｊ＝１では第１節の第３リテラルｗ_１がｘ_３と等しいかを調べる。これは、電子計算部２１で予め論理式を調べ、ｔｈｅｎ以降を実行するかどうかを判断し、実験計画に入れるかを決定しておく。ループ内第２の条件分岐で第１節の第３リテラルｗ_１が¬ｘ_３であるのでｔｈｅｎ以降を実行する。
【０１５３】
関数ｇｅｔｕｖｓａｔは下段に別に定義されており、それぞれの引数、Ｔに対しては最初にａｍｐｌｉｆｙで生成したＴ_ｗ ^Ｔチューブ（内容および濃度はＴ_２と同じ）、ｕに対してはｕ_１（＝ｘ_１）、ｖに対してはｖ_１（＝ｘ_２）を入力する。最初のＴ_ｕ ^ＴはＴ_ｗ ^Ｔの中からＸ_１ ^Ｔを含むオリゴヌクレオチドを抽出して溶液を生成する。これにより、Ｔ_ｕ ^Ｔは｛Ｘ_１ ^ＴＸ_２ ^Ｔ、Ｘ_１ ^ＴＸ_２ ^Ｆ｝という内容になる。次にＴ’_ｕ ^ＦはＴ_ｗ ^Ｔの中からＸ_１ ^Ｔを含まないオリゴヌクレオチドを抽出して溶液を生成する。これによりＴ’_ｕ ^Ｆは｛Ｘ_１ ^ＦＸ_２ ^Ｔ、Ｘ_１ ^ＦＸ_２ ^Ｆ｝という内容になる。３つ目にＴ_ｕ ^Ｆは、Ｔ’_ｕ ^Ｆの中からＸ_１ ^Ｆを含むオリゴヌクレオチドを抽出して溶液を生成する。これによりＴ_ｕ ^Ｆ＝｛Ｘ_１ ^ＦＸ_２ ^Ｔ、Ｘ_１ ^ＦＸ_２ ^Ｆ｝という内容になる。ここでのこの行は無視可能というコメントがあるが、生成される溶液の内容を見れば明白である。実験上エラーが生じることのないように加えた行であるので、念のための実行する。無視した場合は、前行のＴ’_ｕ ^ＦをＴ_ｕ ^Ｆと読み替える。４番目のＴ_ｖ ^ＴはＴ_ｕ ^Ｆの中からＸ_２ ^Ｔを含むオリゴヌクレオチドを抽出して溶液を生成する。これにより、Ｔ_ｖ ^Ｔ＝｛Ｘ_１ ^ＦＸ_２ ^Ｔ｝という内容になる。最後に関数ｍｅｒｇｅにより、Ｔ_ｕ ^ＴとＴ_ｖ ^Ｔが混合されてＴ^Ｔが生成され、ｒｅｔｕｒｎにより出力される。Ｔ^Ｔは｛Ｘ_１ ^ＴＸ_２ ^Ｔ、Ｘ_１ ^ＴＸ_２ ^Ｆ、Ｘ_１ ^ＦＸ_２ ^Ｔ｝となりもとのｄｎａ３ｓａｔ関数では溶液Ｔ_ｗ ^Ｔと名を代えて扱うことになる。Ｔ^Ｔの内容は第１節の第１、第２のリテラルがｘ_１∨ｘ_２なる形であるので、第２リテラル¬ｘ_３がいかなる値であろうとも第１節の第１節が真であるｘ_１、ｘ_２への値の割り当ての組を示している。以上により、関数ｇｅｔｕｖｓａｔは既に２つのリテラルに値が割り当てられている節について、３つ目のリテラルの変数に何を割り当ててもその節が真であるような割り当てを表すオリゴヌクレオチドを選別する関数である。
【０１５４】
次に、再びｄｎａ３ｓａｔ内のｋ＝３ループでｊを１つ増加させ、ｊ＝２で、第２節の計算に移る。この節では第３リテラルは第１節と同様に¬ｘ_３なので条件分岐に効いてくるのは下段のｉｆ文である。第１節と同様にｇｅｔｕｖｓａｔを実行する。注意すべきは先に行ったｊ＝１でＴ_ｗ ^Ｔを生成していることである。また、ｖ_２はｖ_２＝¬ｘ_２なる否定が入ったリテラルなので、ｇｅｔｕｖｓａｔ関数のＴ_ｖ ^Ｔを求める式においてＸ_ｖ ^Ｔは、Ｘ_２ ^Ｆと読み替えて関数ｇｅｔを実行する。こうすれば、ｊ＝２で新たに得られるＴ_ｗ ^Ｔは、｛Ｘ_１ ^ＴＸ_２ ^Ｔ、Ｘ_１ ^ＴＸ_２ ^Ｆ｝となる。
【０１５５】
以降、順にｊ＝１０まで実行する。途中、例えば、５節目以降のように３番目のリテラルがｋ＝４である場合は、ｊの値をインクリメントし、ループの次の処理を行う。ｋ＝３で１０節分のループが終了すれば、Ｔ_ｗ ^Ｔの中の３’末端がＸ_２のオリゴヌクレオチドに真を表すＸ_３ ^Ｔをａｐｐｅｎｄする。また、Ｔ_ｗ ^Ｆ中の３’末端がＸ_２のオリゴヌクレオチドに偽を表すＸ_３ ^Ｆをａｐｐｅｎｄする。このあとａｐｐｅｎｄ後の溶液をｍｅｒｇｅし、ｋ＝４のループに移る。ｋ＝４のループが終了すれば、最終的にループを脱し、Ｔ_４チューブを関数ｄｅｔｅｃｔで処理する。
【０１５６】
以上のように計算を実行するので、変数の数をｎ、節の数をｍとすると各基本コマンドの実行回数は、
（ｎ−２）×（ａｍｐｌｉｆｙ＋２×ａｐｐｅｎｄ＋ｍｅｒｇｅ）＋ｍ×（３×ｇｅｔ＋ｍｅｒｇｅ）
である。即ち、変数の数と節の数にほぼ比例した時間で３ＳＡＴ問題を解くことができる。
【０１５７】
また、本発明において、ｄｅｔｅｃｔ部分は、必ずしも反応結果を測定することを意味せず、反応結果が電子計算部へ利用可能に情報伝達されるか、或いは利用者が利用できる形態に変化または抽出された状態に特徴化されていればよい。また、ｄｅｔｅｃｔ部分は測定可能な状態に特徴化されていればよく、測定を人が行ってもよい。従って、本発明において、分子計算部は、反応が終了すると共に利用者が利用できるような生成物または成果物を提供するところまでを実施すればよい。利用者は、本発明の装置により提供された生成物または成果物を種々の目的、例えば、診断、治療、創薬、学術的研究、生物学的データベースの構築、生物学的情報の解読等へと最も効率よく利用することができる。
【０１５８】
【実施例】
分子計算
上述で説明した数４のプログラムを本発明の分子計算装置を用いて実行した。装置の構成を以下に記す。該プログラムを実行した装置の構成を示す。本装置はプレシジョン・システム・サイエンス（ＰＳＳ）社の核酸自動抽出装置ＳＸ８Ｇを改造して製作した。本装置は、制御のためのインテル社製ＰｅｎｔｉｕｍＩＩＩＣＰＵ（登録商標）を搭載した、ＯＳがＷｉｎｄｏｗｓ９８（登録商標）のコンピュータ（電子計算部２１に対応）と、演算反応を実際に行うための試薬槽と反応槽、ＸＹＺの位置制御のできるピペッタと、予備のピペッタ用チップ、温度をコンピュータで制御できるサーマルサイクラ（ＭＪ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ社製のＰＴＣ−２００）からなる反応ロボット（分子計算部２２に対応）からなる。分子計算部２２の上から見た反応用部材の配置を図２に示す。
【０１５９】
これらの反応容器の間で溶液の受け渡しが行われる。ストレプトアビジン磁気ビーズによるオリゴヌクレオチドの抽出は、ピペッタの特殊チップとチップに近づけたり離したりできる永久磁石により行う。ただし、以上のシステムでは実行できなかった２つの操作、即ち１μＬ程度の微量の酵素分注は人力で行い、関数ｄｅｔｅｃｔでのキャピラリゲル電気泳動は、ベックマン・コールター社製Ｐ／ＡＣＥ−５５１０キャピラリ電気泳動システムにより実行した。
【０１６０】
試薬類とその初期配置を述べる。リガーゼ酵素は先に述べたようにマニュアルで分注するので装置外で保持した。分注はギルソン社製のピペットマン２μＬのピペッタを用いた。
【０１６１】
Ｘで表される各変数の値を示すオリゴヌクレオチドの長さは２２塩基である。また、ここでＸ_１ ^ＴＸ_２ ^Ｆと記した場合５’端側から順にＸ_１が真であることを表すオリゴヌクレオチド、Ｘ_２が偽であることを示すオリゴヌクレオチドの配列をもつ１本鎖オリゴヌクレオチドであることを示す。また、ここで、配列名が「［］」に挟まれている場合は元の配列に相補的な配列を意味する。このため、例えば［Ｘ_１ ^ＴＸ_２ ^Ｆ］ならばＸ_１ ^ＴＸ_２ ^Ｆに相補的なので、実際の配列は５端側からＸ_２ ^Ｆに相補的な配列、Ｘ_１ ^Ｔに相補的な配列の順になっている。
【０１６２】
Ｔ_２溶液（Ｘ_１ ^ＴＸ_２ ^Ｔ、Ｘ_１ ^ＦＸ_２ ^Ｔ、Ｘ_１ ^ＴＸ_２ ^Ｆ、Ｘ_１ ^ＦＸ_２ ^Ｆそれぞれ５ｐｍｏｌをライゲーション用緩衝溶液２０μＬに溶解した）をＭＴＰ３５（即ち、マルチタイタープレート３５）に保持した。ライゲーション反応用緩衝溶液、ストレプトアビジン磁気ビーズ、Ｂ＆Ｗ溶液（ＴＥ溶液にＮａＣｌを加えて、ＮａＣＩが１Ｍなる濃度にした溶液を以降このように呼ぶ。この液はストレプトアビジン磁気ビーズにビオチン化オリゴヌクレオチドを捕獲したり、ハイブリダイゼーション反応を行うときに用いる）は図２のＭＴＰ３７に保持した。
【０１６３】
また、５’端がビオチン標識されているビオチン化オリゴヌクレオチド［ｂＸ_１ ^Ｔ］、［ｂＸ_２ ^Ｔ］、［ｂＸ_３ ^Ｔ］、［ｂＸ_４ ^Ｔ］、［ｂＸ_１ ^Ｆ］、［ｂＸ_２ ^Ｆ］、［ｂＸ_３ ^Ｆ］、［ｂＸ_４ ^Ｆ］をぞれぞれ１０ｐｍｏＬずつＢ＆Ｗ溶液２０μＬに溶解したもの、５’端がリン酸化されているａｐｐｅｎｄオリゴヌクレオチドｐＸ_３、ｐＸ_３ ^Ｔ、ｐＸ_３ ^Ｆ、ｐＸ_４ ^Ｆ、ｐＸ_４ ^Ｔ、それぞれ１０ｐｍｏＬをライゲーション緩衝溶液２０μＬに溶解したもの、５’端にビオチン標識した連結オリゴヌクレオチド、［ｂＸ_２ ^ＴＸ_３ ^Ｔ］、［ｂＸ_２ ^ＦＸ_３ ^Ｔ］、［ｂＸ_２ ^ＴＸ_３ ^Ｆ］、［ｂＸ_２ ^ＦＸ_３ ^Ｆ］、［ｂＸ_３ ^ＴＸ_４ ^Ｔ］、［ｂＸ_３ ^ＦＸ_４ ^Ｔ］、［ｂＸ_３ ^ＴＸ_４ ^Ｆ］、［ｂＸ_３ ^ＦＸ_４ ^Ｆ］それぞれ１０ｐｍｏｌをライゲーション緩衝溶液２０μＬに溶解したものをＭＴＰ３５に配置する。これらのオリゴヌクレオチド溶液および緩衝溶液などは分子計算機動作中は室温で保持した。リガーゼ、関数ｄｅｔｅｃｔで用いるＰＣＲ用ポリメラーゼは装置の外で氷中で、ＰＣＲ反応用緩衝溶液は室温で維持した。
【０１６４】
それぞれの関数に対応する反応での装置の動作を順を追って説明する。
【０１６５】
（ａ）関数ａｍｐｌｉｆｙ
関数ａｍｐｌｉｆｙは、左端の引数の溶液をテンプレートとし、ＰＣＲ増幅して元の溶液の濃度に維持して複数の溶液に分割する反応操作を符号分子の演算反応として定義した関数である。厳密にはもとの溶液のオリゴヌクレオチド濃度を測定してからでなければ増幅できないが、実際には最初のＴ_２で各オリゴヌクレオチドが５ｐｍｏｌで２０μＬの溶液に溶解しているので、２０μＬの溶液に各オリゴヌクレオチドが数ｐｍｏ１溶解しているようにする。即ち、１溶液１オリゴヌクレオチドあたり２ｐｍｏｌとするならば、ＰＣＲ反応液の組成は次の通りである。
【０１６６】
ポリメレース酵素（宝酒造）０．５μＬ（２．５Ｕ）
増幅ＤＮＡの溶液　　１ｆｍｏｌ程度の各々のオリゴヌクレオチドを含む
ｄＮＴＰ混合溶液　　８μＬ（２．５ｍＭ、付属品）
反応バッファ　　　　１０μＬ（１０倍希釈で使用、付属品）
プライマー　　　　　各オリゴヌクレオチドにｆｏｒｗａｒｄ、ｒｅｖｅｒｓｅ側とも５ｐｍｏｌずつ準備
滅菌蒸留水　　　　　全液量が１００μＬになるように加えた
増幅には宝酒造のＰｙｒｏｂｅｓｔ^ＴＭＤＮＡ　ＰｏｌｙｍｅｒａｓｅのＰＣＲ増幅キットを用いた。反応温度条件は、以下の通りである。
【０１６７】
即ち、
１．　９５℃　３０秒
２．　５０℃　３０秒
３．　７２℃　６０秒　１〜３を３０サイクル
である。
【０１６８】
ＰＣＲ反応液の量は分割する溶液の数に応じて変えた。ＰＣＲの後、反応液からＰＣＲ産物をストレプトアビジン磁気ビーズ（ロシュダイアグノスティクス）で捕獲する。磁気ビーズ原液５０μＬ（０．５ｍｇ）をとり、ここから磁石により磁気ビーズのみを抽出して液をＢ＆Ｗ溶液５０μＬに置換する。この磁気ビーズ液とＰＣＲ反応液５０μＬとを混ぜてＰＣＲ産物を捕獲する。捕獲した後、溶液をＢ＆Ｗ溶液５０μＬに置換し、８８℃まで昇温して１本鎖オリゴヌクレオチドを解離させて抽出した。
【０１６９】
（ｂ）関数ｇｅｔ
ｇｅｔ（Ｔ，＋Ｓ）とｇｅｔ（Ｔ，−Ｓ）は一連の操作で同時に行う。
【０１７０】
（１）抽出する溶液Ｔを５０μＬ準備しサーマルサイクラ３８に吐出した。
【０１７１】
（２）Ｔに捕獲する配列の相補鎖をビオチン化したオリゴヌクレオチドを２０ｐｍｏｌを含むＢ＆Ｗ溶液５０μＬをさらに加えて最初のハイブリダイゼーション反応を行った（下記反応温度条件の１，２）。
【０１７２】
ピペッタは各ＭＴＰから液をとり反応を進める。反応温度条件は以下の通りである。即ち、
１．　９５℃　１分
２．　２５℃　１０分（１から２までは１０℃／分で温度を下げる）
３．　５６℃　３分（２から３までは１０℃／分で温度を上げる）
４．　７５℃　３分（３から４までは１０℃／分で温度を上げる）
であり、ピペッティングの作業時間を確保しながらサーマルサイクラを制御した。
【０１７３】
（３）２の温度の途中で磁気ビーズ原液５０μＬ分を分散したＢ＆Ｗ溶液５０μＬを混合し、磁気ビーズにビオチン化オリゴヌクレオチドのハイブリッドを捕獲した。磁気ビーズは再びサーマルサイクラー９６穴ＭＴＰ３８に保持した。
【０１７４】
磁気ビーズ液は装置のピペッタに一度吸い込まれた後、ピペットのチップの中の空洞に保持される。このとき液を保持したチップにピペッタに取り付けた移動可能な永久磁石を接近させてビーズを集める。この間にピペットから排液して新たな溶液を吸引すれば溶液の置換や、２本鎖核酸の相補鎖の分離を行うことができる。磁気ビーズを溶液に分散するためには永久磁石を離して数回ピペッティングを行えば十分に撹拌されて磁気ビーズは溶液に分散する。
【０１７５】
（４）次に３の温度条件に進む。ここではハイブリダイゼーションしなかったオリゴヌクレオチドを集めるコールドウォッシュ工程を行う。５６℃にてＢ＆Ｗ溶液５０μＬにオリゴヌクレオチドを抽出しＭＴＰ３５に出力した。これがｇｅｔ（Ｔ，−Ｓ）の出力オリゴヌクレオチド溶液である。
【０１７６】
（５）温度条件４のホットウォッシュ工程では４のようにさらに温度を上げて、磁気ビーズに捕獲されているオリゴヌクレオチドをコールドウォッシュと同様５０μＬのＢ＆Ｗ溶液に抽出してＭＴＰ３５に出力した。これがｇｅｔ（Ｔ，＋ｓ）の出力オリゴヌクレオチド溶液である。
【０１７７】
（ｃ）関数ｍｅｒｇｅ
ごく簡単なピペッティング操作で実行した。ピペッタで混合する溶液をそれぞれ吸引し、全て１箇所のＭＴＰのウェルに集めて混ぜることで実現した。
【０１７８】
（ｄ）関数ａｐｐｅｎｄ
図１６に示す反応である。ａｐｐｅｎｄするオリゴヌクレオチドが異なれば、別々の反応チューブで反応して同時に行った。
【０１７９】
（１）ａｐｐｅｎｄ反応する溶液を２０μＬ、ＭＴＰ３５よりピペッタで吸引し、サーマルサイクラ３８に吐出する。そのほか、ａｐｐｅｎｄ反応に必要な下記の溶液を反応用ウェル３８まで運搬した。
【０１８０】
ａｐｐｅｎｄ反応には、Ｎｅｗ　Ｅｎｇｌａｎｄ　Ｂｉｏ　Ｌａｂｓ社のＴａｑリガーゼとその専用緩衝溶液とを用いた。
【０１８１】
反応溶液は以下の通りである。
【０１８２】
Ｔａｑリガーゼ（ＮＥＢ）　　０．５μＬ（２０Ｕ）
反応ＤＮＡの溶液　　　　　　原液２０μｌ
反応バッファ　　　　　　　　１２μＬ（１０倍希釈で使用、付属品）
連結オリゴヌクレオチド　　　各１０ｐｍｏｌ
ａｐｐｅｎｄオリゴヌクレオチド　　各１０ｐｍｏｌ
滅菌蒸留水　　　　　　　　　全液量が１２０μＬになるように加えた。
【０１８３】
（２）ライゲーション反応を行った。サーマルサイクラの制御は下のように行った。ライゲーション反応を行ったのは温度条件２の時である。反応温度条件は以下の通りである。即ち、
１．　９５℃　１分
２．　５８℃　１５分（１から２までは１０℃／分で温度を下げる）
３．　２５℃　１０分（２から３までは１０℃／分で温度を下げる）
４．　７０℃　３分（３から４までは１０℃／分で温度を上げる）
５．　７４℃　３分（４から５までは１０℃／分で温度を上げる）
６．　８８℃　３分（５から６までは１０℃／分で温度を上げる）
とした。
【０１８４】
（３）反応温度条件３の２５℃に下がってから磁気ビーズによる捕獲を行った。このとき、磁気ビーズを分散している溶液は捨て、ビーズをチップ内に保持したままサーマルサイクラ３８からライゲーション緩衝溶液を直接ピペッタで吸引した。すなわちライゲーション緩衝溶液中で捕獲反応を行った。緩衝溶液が捕獲のための液でないため念のため６０回吸引吐出を行い十分な量を捕獲できるようにした。磁気ビーズはサーマルサイクラ３８に保持した。
【０１８５】
（４）続いて１回目のコールドウォッシュを行った。核酸ハイブリッドの長さと溶液の塩濃度から７０℃が適温である。４の７０℃まで昇温したらサーマルサイクラ３８から磁気ビーズ液を吸引し、永久磁石でビーズを集め、溶液のみをＭＴＰ３５に吐出した。この溶液は廃液である。
【０１８６】
（５）そのまま、ピペッタでＭＴＰ３７のＢ＆Ｗ溶液５０μＬを吸引し、永久磁石を離して磁気ビーズを分散させてサーマルサイクラ３８に戻した。サーマルサイクラ３８では反応温度５にし、２回目のコールドウォッシュを実行した。ここでは（４）と同様に適温になったらサーマルサイクラ３８から吸引し、永久磁石でビーズを集めてＢ＆Ｗ溶液のみをＭＴＰ３５に吐出した。この溶液も廃液である。
【０１８７】
（６）このあと、さらに再びピペッタでＭＴＰ３７のＢ＆Ｗ溶液５０μＬを吸引し、永久磁石を離して磁気ビーズを分散させてサーマルサイクラ３８に戻した。サーマルサイクラ３８で反応温度６になったとき、溶液中にａｐｐｅｎｄ反応の済んだ１本鎖オリゴヌクレオチドが解離してくるのでこれをサーマルサイクラ３８から吸引し、永久磁石でビーズを集め、溶液のみをＭＴＰ２５に吐出し保持した。
【０１８８】
（ｅ）関数ｄｅｔｅｃｔ
図１８に示す反応と、キャピラリゲル電気泳動による検出でおこなった。最終的に得られた解を表すオリゴヌクレオチドを含むであろう溶液をテンプレートとし、ｇｒａｄｕａｔｅｄ　ＰＣＲを行った。ＰＣＲはプライマーの組ごとに反応液を分けて行い、それぞれのＰＣＲ産物の有無および長さを検出することで解の配列を調べた。
【０１８９】
（１）解を含むと考えられるオリゴヌクレオチド溶液をテンプレートとする。プログラム中でａｍｐｌｉｆｙによりオリゴヌクレオチドの濃度は維持されているので、それからテンプレート濃度を推定し液量を定める。
【０１９０】
ＰＣＲ反応液の組成は、
ポリメラーゼ酵素（宝酒造）　０．５μＬ（２．５Ｕ）
増幅するＤＮＡの溶液　　１ｆｍｏｌ程度の各々のオリゴヌクレオチドを含むだけの量
ｄＮＴＰ混合溶液　　８μＬ（２．５ｍＭ、付属品）
反応バッファ　　　　１０μＬ（１０倍希釈で使用、付属品）
プライマー　　　　　各オリゴヌクレオチドにｆｏｒｗａｒｄ，ｒｅｖｅｒｓｅ側とも５ｐｍｏｌずつ準備
滅菌蒸留水　　　全液量が１００μＬになるように加えた
とした。
【０１９１】
増幅には宝酒造のＰｙｒｏｂｅｓｔ　ＤＮＡ　Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ　ＰＣＲ増幅キットを用いた。反応温度条件は、
１．　９５℃　３０秒
２．　５０℃　３０秒
３．　７２℃　６０秒　１〜３を３０サイクルであった。
【０１９２】
本実験で用いたプライマーは次の１２組である。
【０１９３】
（Ｘ_１ ^Ｔ，［Ｘ_２ ^Ｔ］）、（Ｘ_１ ^Ｔ，［Ｘ_２ ^Ｆ］）、（Ｘ_１ ^Ｔ，［Ｘ_３ ^Ｔ］）、（Ｘ_１ ^Ｔ，［Ｘ_３ ^Ｆ］）、（Ｘ_１ ^Ｔ，［Ｘ_４ ^Ｔ］）、（Ｘ_１ ^Ｔ，［Ｘ_４ ^Ｆ］）、（Ｘ_１ ^Ｆ，［Ｘ_２ ^Ｔ］）、（Ｘ_１ ^Ｆ，［Ｘ_２ ^Ｆ］）、（Ｘ_１ ^Ｆ，［Ｘ_３ ^Ｔ］）、（Ｘ_１ ^Ｆ，［Ｘ_３ ^Ｆ］）、（Ｘ_１ ^Ｆ，［Ｘ_４ ^Ｔ］）、（Ｘ_１ ^Ｆ，［Ｘ_４ ^Ｆ］）。
【０１９４】
これらをＭＴＰ３５の異なるウェルに保持しておく。ＰＣＲ反応時にプライマー溶液はピペッタで吸引してサーマルサイクラ３８の異なるウェルに吐出し、反応に必要な溶液を加えてサーマルサイクラ３８を設定通りに動作させれば反応は完了する。この作業は容易に自動化できる。この後のキャピラリゲル電気泳動装置での試料のキャピラリヘの導入も自動化できる。キャピラリゲル電気泳動ではペックマン・コールター社のｄｓ１０００ゲルキットを使用した。プライマーＸ_１ ^ＴにはＦＩＴＣが標識されているため泳動像が観察された。今回の実施例では以上のｄｅｔｅｃｔの作業はキャピラリゲル電気泳動も自動では行わず、マニュアルで行った。以上の方法でプログラムの各関数を実行して得られた結果を図２１に示した。例えば関数ｄｅｔｅｃｔに対応する配列の同定方法としては、図１９に示すような手法がある。
【０１９５】
分子計算装置によるゲノム情報解析という計算パラダイムの有効性を示すために、実際に遺伝子の発現情報解析を行うＤＮＡ計算の実験を行った。計算はダイナミックプログラミングで３ＳＡＴの問題を解くときに使用するｇｅｔ、ａｐｐｅｎｄ、ａｍｐｌｉｆｙ、ｍｅｒｇｅおよびｄｅｔｅｃｔの基本命令を用いて実行することができる。最初の計算反応はエンコード反応である。単一試験管内で行える計算反応で、遺伝子の転写産物の情報がａｐｐｅｎｄ命令によりＤＣＮに変換される。変換テーブルは、アダプター分子Ａｉで表現され、２桁ｎ進数のＤＣＮへ１：１で変換される。２００種のＤＣＮは、２桁１００進数のＤＣＮとして利用することにより、最大１０，０００種類の遺伝子をエンコードすることができる。その後、ａｍｐｌｉｆｙ命令により増幅とｎ本の試験管への分注反応が行われる。最後にｎ本の試験管に対してａｐｐｅｎｄとｇｅｔ命令によりＤＣＮをデコードする計算反応が行われる。デコード反応はｎ本の試験に対して並列に行うことができる。移植断片対宿主病関連の転写産物に特異的な配列を有するＤＮＡオリゴヌクレオチドを入力データとして実験を行ったところ、計算反応が特異的且つ定量的に進むことが確認された。
【０１９６】
ＤＣＮに対するＤＮＡ計算により、遺伝子の発現情報解析を行う方法は、ＤＮＡチップで直接に転写産物分子を解析する方法に比べて優れた点をいくつか有している。性質が一様なＤＣＮに変換してから増幅するので、もとの頻度分布を崩さずに増幅して解析することが可能である。また、ＤＣＮデコードで「ｇｅｔ」命令を並列に行うためのＤＮＡチップは、同じＤＣＮの体系である限り同じものを使用することができる。その上、ＤＮＡプローブの数も大幅に少ない。ＤＮＡチップを作製する手間とコストが大幅に軽減される。更に、正規直交化されたプローブのハイブリダイゼーション反応は最適化されており、正確な計算処理を行うことが可能である。また、転写産物分子をラベルする必要はなく、その効率のばらつきによる誤差も生じない。これらの利点に加えて単なる発現プロファイルの計測にとどまらず、プロファイルに関する様々な情報解析をＤＣＮに対するＤＮＡ計算で行うことが可能である。
【０１９７】
なお、以上は５つの基本関数（関数ａｍｐｌｉｆｙ、関数ｇｅｔ、関数ｍｅｒｇｅ、関数ａｐｐｅｎｄ、関数ｄｅｔｅｃｔ）を例に挙げたが、これらに限定されるものではない。例えば、関数ｅｎｃｏｄｅ、関数ｄｅｃｏｄｅ、関数ｃｌｅａｖｅなども、分子計算機における計算を定義するのに有効である。
【０１９８】
関数ｅｎｃｏｄｅとは、分子の入った試験管Ｔに特定の配列ｓ_ｉを含む分子が存在したときに、それに１：１に対応した配列ｃ_ｉを出力する関数であり、例えばｅｎｃｏｄｅ（Ｔ，ｓ_１，ｓ_２，…，ｓ_ｎ，ｃ_１，ｃ_２，…，ｃ_ｎ）などで表現される。
【０１９９】
関数ｄｅｃｏｄｅとは、分子の入った試験管Ｔに特定の配列ｓｉを含む分子が存在したときに、ｓｉに隣接する配列ｃｉの相補配列を含む分子を出力する関数であり、例えばｄｅｃｏｄｅ（Ｔ，ｓｉ）などで表現される。
【０２００】
関数ｃｌｅａｖｅとは、分子の入った試験管Ｔの中の特定の配列ｓを含む分子を切断する関数であり、例えばｃｌｅａｖｅ（Ｔ，ｓ）などで表現される。この関数ｃｌｅａｖｅは２通り存在する。第１は、試験管Ｔの中の分子を特定の配列ｓで切断する関数、第２は、分子の入った試験管Ｔの中の特定の配列から特定数の塩基だけ離れた配列を切断する関数である。この関数ｃｌｅａｖｅは、分子計算部２２では、制限酵素の切断として定義される。
【０２０１】
もちろん、この３つの基本関数を含めた８つの基本関数のみで表現する必要は無く、他の基本関数を設定することも可能である。
【０２０２】
以下の表２に、基本関数と、電子計算部２１における処理体系としての表現、分子計算部２２における処理体系としての表現を示す。なお、分子計算部２２における処理体系は、表２に示したものに限定されるものではなく、あくまで電子計算部２１における処理体系を表現する一態様である。
【０２０３】
表２に示すように、基本関数（手続または関数）は、符号分子の演算反応に対応付けて定義され、変数及び定数は、分子を核酸配列に基づき符号化した符号分子に対応付けて定義されている。
【０２０４】
【表２】

【０２０５】
このような本発明の態様によれば、上述したような分子計算機の高い並列計算性を活かし、しかも分子計算機だけでは実現することが難しい機能を電子計算機により補完することにより、操作する者が分子計算のための反応操作手順や符号化分子の割り当て等を行う必要はなくなる。
【０２０６】
また、本計算装置を用いて遺伝子解析を行った場合、特定の配列を有する核酸を標的としてそれらの存在または不存在を評価することや、またそれによって、例えば、遺伝子型や遺伝子の発現の状態を決定することが、小さい実験誤差で、低コストで、且つ簡便に行うことが可能である。
【０２０７】
更にまた、本発明は、上述の記載に基づいて以下の方法および分子計算用ソフトウェアも提供する。即ち、電子計算部と分子計算部とを、電気学的プログラムが認識可能に表現された分子情報に基づいて一体的に機能させることを特徴とする分子計算方法を提供するものである。
【０２０８】
また、電子計算部と分子計算部とを具備する分子計算装置に適用するためのソフトウェアであって、前記電子計算部および／または前記分子計算部に適用され、前記電子計算部による計算作業と前記分子計算部による計算作業とを、各計算部で電気学的に認識可能な情報形式で機能させることを特徴とする分子計算用ソフトウェア、詳しくは、分子計算部により計算した情報を、電子計算部の電気学的プログラムに適合するような情報形式に変換する機能を有することを特徴とする分子計算用ソフトウエア、更に詳しくは、電子計算部により計算した情報を、分子計算部の計算作業に適合するような情報形式に変換する機能を有する分子計算用ソフトウエアを提供することである。
【０２０９】
本発明の分子計算ソフトウェアを用いることにより、上述の本発明の計算装置の実行を容易に行うことが可能である。また、当該分子計算ソフトウェアは、本発明の計算装置を総括して管理しても、またその構成要素の一部分を独立して管理しても、または構成要素の幾つかの部分を組み合わせて連動して管理してもよい。
【０２１０】
ＩＩ．遺伝子解析の適用例
１．概要
本発明者らは、遺伝子の解析を、核酸分子を入力データとして用いる計算として捉えるというオリジナルなアイデアを着想した。この着想は、Ｉで示した分子計算装置を用いて実現可能である。例えば、発現ｍＲＮＡおよびゲノム上の遺伝子を符号核酸のデータに変換し、それらデータの論理和、論理積、否定を計算することで、遺伝子型判定や特定の疾患での遺伝子の発現条件を求めることができる。
【０２１１】
以下に示す２．〜４．の第１の例〜第３の例は、Ｉに示した分子計算装置を適用して実現される。
【０２１２】
２．分子計算装置を遺伝子解析に適用する第１の例
本発明の１態様に従う分子計算装置に適した問題の例は、ＮＰ完全問題や３ＳＡＴ等の純粋に数学的問題、ゲノム情報解析のように入力データが核酸分子で与えれられるような問題、機能性分子の設計、および機能の評価を電子コンピュータで行うことが困難な問題等である。
【０２１３】
以下に、分子計算装置により行う更なるゲノム情報解析の例を示す。まず、ゲノム情報を正規直交化ＤＮＡ塩基配列で表現した数字である体系に変換する。その後、そのＤＣＮに対するＤＮＡ計算を純粋に数学的問題を解くときのように行い、その計算結果からものゲノム情報を解析する。
【０２１４】
この方法では、以下に示すような２種類の核酸プローブ、即ち、プローブＡおよびプローブＢが使用される（図２２（ａ））。
【０２１５】
プローブＡは、標的核酸の一部の領域の塩基配列Ｆに相補的な配列Ｆ’と、これに結合した結合分子からなる。
【０２１６】
ここで、結合分子は、互いに特異的に高親和性を有する２つの物質の内の何れか一方の物質である。例えば、ビオチンまたはアビジン若しくはストレプトアビジン等である。また、結合分子は、直接に配列Ｆ’に結合しても、或いは任意の配列を解して間接的に配列Ｆ’に結合してもよい。間接的に結合する場合の任意の配列は、如何なる塩基配列であっても、如何なる塩基数であってもよい。好ましくは、標的核酸上の塩基配列に非相補的な配列である。
【０２１７】
プローブＢは、標的核酸の一部の領域の塩基配列Ｓに相補的な配列Ｓ’とフラッグとからなる。本例におけるフラッグは二本鎖からなる。前記二本鎖は、複数のユニットからなる任意の配列を有す。また、フラッグは、これ自身が標的核酸と結合はせず、また、これらは互いに如何なる相互作用も示さないことが必要である。
【０２１８】
本方法に使用される配列Ｆ’および配列Ｓ’は、１以上の塩基数を有し、より好ましくは１５以上の塩基数を有する。
【０２１９】
ユニットの設計例を図２３（ａ）に示す。フラッグＦＬの複数のユニットの各１ユニットは、１０塩基数以上としてよく、より好ましくは約１５塩基数である。フラッグＦＬのユニット数は、何れでもよいが、解析の容易さから４ユニットが好ましい。しかし、これに限られるものではない。
【０２２０】
複数の標的核酸を同時に検出する場合には、多種類のユニットを組み合わせてフラッグＦＬを構築する。たとえば、ＳＤ、Ｄ０、Ｄ１、ＥＤの４ユニットからなるフラッグＦＬを設計する場合を例とすると、先ず、２２種類のユニットを設計し、その中から２種類を選択してプライマーとなるＳＤユニットと、もう１つのプライマーであるＥＤユニットとする。残りの２０種類のユニットを用いて、各標的核酸の種類毎に、選択する２つのユニットの種類を変えることによりＤ０、Ｄ１を設計すると、１００種類の異なる核酸配列を検出することが可能である（図２３（ａ））。
【０２２１】
２２種類のユニットは、正規直交化された塩基配列により設計することが好ましい。正規直交化された塩基配列はＴｍ値が揃っており、相補配列以外とは安定したハイブリッドは形成しない。また、相補配列とのハイブリッド形成を阻害するような安定した２次構造は形成しない。これにより、最終的な検出時のミスハイブリを少なくし、ハイブリの形成速度を上げることが可能になる。したがって、検出精度を向上すること、および検出時間を短縮することが可能になる。また、ユニット数を増すことや、ユニットの種類を増すことにより、１００００種類の異なる核酸配列をも検出することが可能である。
【０２２２】
図２２（ａ）〜図２２（ｉ）を用いて、本例の方法を更に説明する。図２２（ａ）に、４ユニットからなるフラッグＦＬの例を示した。該４ユニットは、ポリメラーゼ連鎖反応（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ　ｃｈａｉｎ　ｒｅａｃｔｉｏｎ；以後、ＰＣＲ増幅またはＰＣＲ反応と称す）においてプライマーとなるＳＤユニットと、標的核酸の種類を認識するための認識用ユニット、即ち、Ｄ０ユニットおよびＤ１ユニットと、およびもう１つのプライマー配列であるＥＤユニットとからなる。これらの各ユニットは、後の工程においては、夫々が読み取り枠となる。
【０２２３】
検出は、まず上記のプローブＡとプローブＢを、標的核酸と混合する（図２２（ａ））ことにより行う。このとき、試料に含まれる標的核酸は、複数の異なる核酸分子群であってもよい。例えば、検出されるべき標的核酸の種類が１００種類以下であるならば、Ｄ０ユニットは、Ｄ０−１からＤ０−１０の１０種類の中から選択され、且つＤ１ユニットは、Ｄ１−１からＤ１−１０の１０種類の中から選択される（図２３（ａ））。
【０２２４】
次に、プローブＡ、プローブＢ、および標的核酸をハイブリダイゼーションに適した条件で一定時間インキュベーションし、ハイブリダイゼーションを行なう（図２２（ｂ））。ハイブリダイゼーションの条件は、例１に示す通りでよい。
【０２２５】
かかるハイブリダイゼーションにより、プローブＡおよびプローブＢの両方が同一の標的核酸上に結合する（図２２（ｂ））。
【０２２６】
次に、標的核酸にハイブリダイズしたプローブＡおよびプローブＢを連結する（図２２（ｃ））。連結の条件は、例１に示す通りでよい。
【０２２７】
また、フラッグＦＬのＴｍ値は、配列Ｆ’およびＳ’より高い温度に設計することが好ましい。これにより本検出方法におけるハイブリダイゼーション、ライゲーションおよび変性等の操作の加熱または冷却の際に、検出感度の低下をもたらすフラッグの変性を防ぐことが可能である。
【０２２８】
次に、得られたフラッグＦＬの情報をＢ／Ｆ分離する（図２２（ｄ））。具体的には、プローブ（Ａ＋Ｂ）に具備される結合分子を、その対となるべき結合分子を介して固相担体に補足する（図２２（ｅ））。
【０２２９】
前記固相担体は、基板、ビーズ等の粒子、容器、繊維、管、フィルター、アフィニティ・カラム、電極等を用いることが可能であるが、好ましくはビーズである。
【０２３０】
次に、結合分子に捕捉された状態で、プローブ（Ａ＋Ｂ）のフラッグＦＬを変性し一本鎖にする（図２２（ｆ））。得られた液相中の一本鎖配列ＦＬ’に対してＰＣＲ増幅を行なう（図２２（ｇ））。上述したように、予めフラッグＦＬには、２つのプライマー配列ＳＤおよびＥＤが配置してある。従って、このプライマー配列を利用してＰＣＲ反応が容易に行ない得る。また、このとき、ＰＣＲに使用する２つのプライマーの一方、たとえばＳＤ配列に、ビオチン等の結合分子を結合しておくことが好ましい。このときのＰＣＲの詳細な条件は、設計したフラッグＦＬに依存する。
【０２３１】
続いて、該ＰＣＲ反応の終了後、結合分子を固相した固相担体に結合することによって、ＰＣＲ産物である二本鎖配列を回収する（図２２（ｈ））。ここで、固相化された担体は、前記結合分子と対になる結合対のもう一方の物質である。さらに、変性により配列ＦＬ’を除き、一本鎖配列ＦＬのみを固相担体上で回収する（図２２（ｉ））。
【０２３２】
続いて、固相上の一本鎖フラッグ配列ＦＬの解析を行なう。まず、一本鎖フラッグ配列ＦＬが結合した前記固相担体を１０等分する（Ｄ１ユニットがＤ１−１からＤ１−Ｄ１０の場合）。各々に、標識分子と結合したＤ１−１’からＤ１−１０’配列の一つおよび全てのＤ０’配列（Ｄ０−１’からＤ０−１０’）を加え、フラッグ配列ＦＬにハイブリダイズする。
【０２３３】
続いて、ハイブリダイズした２つの核酸分子をライゲーションにより連結する。ここで、ライゲーションの条件および標識物質に関する定義は上述した通りである。その後、変性により連結された分子を液相に回収する。
【０２３４】
得られた標識された核酸分子の解析は、予めＤ０−１からＤ０−１０の核酸分子を固相化したＤＮＡチップまたはＤＮＡキャピラリ等に対して、ハイブリダイズすることにより行うことができる。特に、ＤＮＡキャピラリは、Ｄ０−１からＤ０−１０で１０等分に分けられたものを同時に処理できるので、これにより分析は容易になるであろう。
【０２３５】
例えば、各１０種類のＤ０−１からＤ０−１０と、Ｄ１−０からＤ１−１０の配列を用いてフラッグＦＬを設計した場合、図２３（ａ）の１の位置にはＤ０−１に相当する配列が固定され、標識されたＤ１−１’分子と連結された拡散分子６３にハイブリダイズされる。同様に、他の位置には列により相当するＤ０配列が固定され、行により相当するＤ１’分子と連結された拡散分子にハイブリダイズされる。このような行列の配置を、後述するＤＮＡキャピラリに対して用いる（図２３（ｂ））と解析が容易に行える。
【０２３６】
ここでは、１０種類のユニットを用いた例を挙げたが、ユニットの種類は１０種類に限られるものではなく、それ以下でも、それ以上でもよい。
【０２３７】
ここで使用する「ＤＮＡキャピラリ」とは、標的核酸を検出するための装置であり、その内側に該標的核酸に対する相補的配列が結合されており、該相補的配列に標的核酸を結合することにより、該標的分子を検出する装置をいう。図２３（ｂ）に示す通り、多数のＤＮＡキャピラリを同時に使用し、且つ斜線で示した部分に、互いに異なるプローブを配置することにより、同時に多くの標的核酸を検出することが可能である。
【０２３８】
また、本方法では、フラッグ配列ＦＬの各ユニットには正規直交化配列が使用されているので、実施されるハイブリダイズの反応温度等の条件を均一化することが可能である。これにより、ミスハイブリを防止でき、高い精度が得られる。また、同一条件の下で一度に多くの解析を行なうことが可能であるため、検出時間の短縮化を達成することが可能である。また、本方法により複雑なゲノム情報をＤＮＡの塩基配列で表現した数値に変換することも可能となり、ＤＮＡ分子反応を利用した計算を行うことにより、多種類の情報や、互いに連鎖した複雑な遺伝子情報を容易に解析することが可能になる。また、コード化したのちに容易にコード化核酸を増幅できるので、少ないコピー数の標的配列であっても正確に且つ定量的に検出することが可能である。また、コード化することにより、多くの情報を圧縮することが可能である。従ってＤＮＡチップまたはキャピラリーアレイ等の検出手段の所要数を節約することが可能である。
【０２３９】
ここで使用する「エンコード反応」とは、ある塩基配列を、正規直交化塩基配列で表現されるコードに変換することをいう。上述の図２２（ａ）〜図２２（ｆ）の工程がこれに相当する。
【０２４０】
また、ここで使用する「デコード反応」とは、前記で変換されたコードの読み取りを行ない、それにより元の情報を復元することをいう。上述の図２２（ａ）〜図２２（ｉ）の工程がこれに相当する。
【０２４１】
この方法では、上述したような１種類の標的核酸を検出するのみに留まらず、複数種類のフラッグ配列を設計すれば、同様な工程を経ることにより複数種類の標的核酸を同時に検出することも可能である。
【０２４２】
３．分子計算装置を遺伝子解析に適用する第２の例
本発明の更なる１側面では、上述のような分子計算装置を用いて、ゲノム情報解析を行う一般的な計算方法論が提案される。特に、該ゲノム情報解析方法では、以下のような利点が得られる。即ち、そのような方法では、先ず、特定の遺伝子の塩基配列に対して、任意に設計した所望配列を任意に割り当てる。そして、その割り当てに従って、該特定の遺伝子の塩基配列を設計された配列に変換し、変換後に得られた安定性の高い配列を演算に使用することが可能である。従って、反応の設計における自由度が高くなり、且つ正確な反応を実施することが可能になる。
【０２４３】
（ａ）第１の実施の形態
（１）概要
遺伝子解析に適用する本発明の第１の実施の形態について述べる。第１の実施の形態は、核酸分子による演算によって、遺伝子の有無を判定する遺伝子解析の例を示す。
【０２４４】
その概要は以下の通りである。まず、細胞で発現された遺伝子群を基にｃＤＮＡ群を作製する。得られたｃＤＮＡ群に含まれる発現遺伝子と、含まれない非発現遺伝子に関する情報、即ち、標的遺伝子の有無に関する情報を、人工的に設計した配列をもつＤＮＡ分子の形態に変換し、表現様式を変更する。この変換によって得られたＤＮＡ分子を、演算用核酸に対してハイブリダイゼーションする。以上の過程が演算解析の過程である。ここで、前記ＤＮＡ分子は、特定の標的遺伝子が存在しているか否かの情報を担う一種の信号として機能する。
【０２４５】
例えば、ある標的遺伝子が存在することを確認することによって、当該遺伝子が発現遺伝子であることが判定できる。或いは、その標的遺伝子が存在しないことを確認することによって、当該遺伝子が非発現遺伝子であることが判定できる。従って、本解析方法では、サンプル中に含まれる標的分子を検出することが可能であるばかりではなく、同時に、サンプル中に含まれない標的分子に関しては、それが存在しないとい情報を得ることが可能である。
【０２４６】
（１．１）準備
本発明の１態様である計算方法には以下のような分子が必要である。実質的な計算に先駆けて、以下の分子を調製することが必要である。当該調製はそれ自身公知の方法により行うことが可能である。
【０２４７】
溶液に含まれるｃＤＮＡを検出するために図２４に示す２つのプローブ、即ち、点線で囲まれたａ_ｉとＡ_ｉを準備する。ａ_ｉは、標的のｃＤＮＡの一部の配列に相補的な配列を含み且つ５’端にビオチンを標識したオリゴヌクレオチドである。Ａ_ｉなるオリゴヌクレオチドは部分的にハイブリダイゼーションにより２本鎖になったオリゴヌクレオチドである。Ａ_ｉを構成する２本鎖のうちの一方のオリゴヌクレオチドは、人工的に設計されたＳＤ、ＤＣＮ_ｉおよびＥＤなる塩基配列を３’端側に有し、標的のｃＤＮＡの一部分の配列に相補的であり且つａ_ｉ分子の標的に相補的な配列に隣接するような配列を５’端側に有する。また、前記人工的に設計した塩基配列は、当該相補的な配列よりも３’末端側に配置される。また、Ａ_ｉの標的ｃＤＮＡに相補的な配列の５’端はリン酸化されている。２本鎖Ａ_ｉを構成するもう１方の鎖はＳＤ、ＤＣＮ_ｉおよびＥＤの配列に相補的な配列をもつオリゴヌクレオチドである。ａ_ｉおよびＡ_ｉは、検出したい標的遺伝子毎に任意に設計する。ここでいう「標的遺伝子」とは、溶液中に存在するまたは存在しないことを検出したい遺伝子である。またこのとき、ＤＣＮ_ｉの配列は標的ごとに異なる配列になるように設計し、ＳＤおよびＥＤはすべてのＡ_ｉで共通する配列になるように設計する。これらの人工的な配列は、任意に設計可能であるので、所望するＴｍ値を設定することが可能である。従って、安定に且つミスハイブリダイゼーションの少ない反応を行うことが可能である。
【０２４８】
更に、図２８に示すような５’端にビオチン標識をしたＳＤ配列と同じ配列を有するプライマー１と、ＥＤ配列に相補的な配列を有するプライマー２が必要である（図２８）。
【０２４９】
また更に、図３１に示すような「標的が存在すること」を示すＤＣＮ_ｉに相補的な配列を有する存在オリゴヌクレオチド３（図３１）と、「標的が存在しないこと」を示すＤＣＮ_ｉ ^＊に相補的な配列を有する不存在オリゴヌクレオチド６（図３５）が必要である。
【０２５０】
また、図３２に示すような反転オリゴヌクレオチド４が必要である。これは、ＤＣＮ_ｉに対応するように人工的に設計され且つＤＣＮ_ｉとは異なる配列を有した塩基配列であるＤＣＮ_ｉ ^＊を５’端側に具備し、その３’端側にはＤＣＮ_ｉ配列を具備するオリゴヌクレオチド（図３２）である。
【０２５１】
（１．２）存在分子と不存在分子への変換
本発明の方法では、まず、サンプル中に、特定の標的分子が存在しているという情報を「存在分子」に変換し、特定の標的分子がある系に存在していないという情報を「不存在分子」に変換する。ここで使用する「存在分子」と「存在オリゴヌクレオチド」の語は互いに交換可能に使用される。また「不存在分子」と「不存在オリゴヌクレオチド」も同様に交換可能に使用される。
【０２５２】
このような分子の存在、不存在を分子形態表現に変換する方法について図２４から図３５を用いて説明する。図２４から図４５は、それぞれの工程における系に存在する分子を模式的に示したものである。
【０２５３】
図中、ＤＮＡを矢印により示し、矢印の元部をＤＮＡの５’端とし先端を３’端とする。矢印の途中に入る該矢印への短い垂線は、塩基配列の区切りを示す部分である。また、図中の矢印の近くに示す、「ａ」、「Ａ」および「ＤＣＮ」等のアルファベットは配列の名前を示す。また、「ａ」、「Ａ」および「ＤＣＮ」等のアルファベットに付された添え字「ｉ」および「ｋ」は整数であり、それぞれの配列が、どの遺伝子に対応するかを表示するために付されたものである。ここでは「ｉ」および「ｋ」により任意の配列が示される。また、ここでは便宜的に「ｉ」は発現遺伝子を、「ｋ」は非発現遺伝子を示す。また、図中、配列名の上に線が引かれている場合は、相補的な配列を示す。図中の斜線のある円はビオチン分子を示し、白い大きい円は磁気ビーズを現す。磁気ビーズから右横に伸びる黒い十字は、該磁気ビーズに固定されたビオチン分子と特異的に結合するストレプトアビジン分子を模式的に示している。
【０２５４】
ａ．「標的が存在する」という情報の「存在分子」への変換
標的が存在する場合の存在分子への変換は図２４から図４２に示す工程を逐次的に行うことにより実施される。
【０２５５】
まず、図２４を参照されたい。上述の通り合成したａ_ｉおよびＡ_ｉを、Ｔａｑライゲースのような高温で活性の高い酵素の反応バッファ中でｃＤＮＡと反応させる。但し、このライゲーション反応の温度はＡ_ｉオリゴヌクレオチドの２本鎖部分が解離しない温度とする。この反応の結果、標的が存在した場合は、図２５のようにライゲースによりａ_ｉとＡ_ｉは連結される。次に、この反応溶液から図２６に示すようにストレプトアビジンを表面に結合した磁気ビーズにて前記連結オリゴヌクレオチドを抽出する。このとき、未反応のａ_ｉ分子もビーズに捕獲されるが、以後の反応には関係しない。
【０２５６】
続いて、熱をかけることで、磁気ビーズで捕獲したＡ_ｉとａ_ｉの連結分子からＡ_ｉ部分の相補鎖を分離抽出する（図２７）。この操作によって、最初の溶液にｃＤＮＡが存在していれば、それに対応するＤＣＮ_ｉ配列に相補的な配列を含んだオリゴヌクレオチドが抽出される（図２７）。この抽出オリゴヌクレオチドをテンプレートとして、５’端にビオチン標識をしたＳＤ配列と同じプライマーと、ＥＤ配列に相補的なプライマーにて図２８のようにＰＣＲ増幅反応を行う（図２８）。これにより存在していると判明した遺伝子を検出するＤＣＮ_ｉ配列が増幅される。
【０２５７】
このＰＣＲ増幅による２本鎖の産物を、図２９に示すようにストレプトアビジン結合磁気ビーズにより捕獲する（図２９）。捕獲した２本鎖のＰＣＲ産物を捕獲したままで熱をかけて１本鎖にし、解離させた相補鎖を緩衝液交換により除去する（図３０）。続いて図３１のように、ＤＣＮ_ｉに相補的な配列をもつ存在オリゴヌクレオチドを、ビーズに捕獲されたＰＣＲ産物にハイブリダイズする（図３１）。このハイブリダイゼーションの後、過剰な存在オリゴヌクレオチドを除去し、続いて、改めて熱をかけることによってビーズに捕獲されているＤＣＮ_ｉの相補鎖（即ち、存在オリゴヌクレオチド３）をバッファ中に抽出する。ここで抽出されたＤＣＮ_ｉに相補的な塩基配列を有する存在オリゴヌクレオチド３が、もとのｃＤＮＡ溶液中に標的遺伝子が存在することを示す存在分子である。
【０２５８】
ｂ．「標的が存在しない」という情報の「不存在分子」への変換
上述の工程により、存在した標的遺伝子を、それが存在するという情報を示す存在分子（即ち、存在オリゴヌクレオチド）に変換した後で、存在しないという情報をこれを示す分子（即ち、不存在オリゴヌクレオチド）に変換する。標的が存在しない場合には、存在しなかったことを示す不存在オリゴヌクレオチドが抽出される。この抽出は以下の通りに実施される。
【０２５９】
予め、図３２にあるような反転オリゴヌクレオチドを全ての検出対象の遺伝子のＤＣＮについて準備する。上述した通り、反転オリゴヌクレオチドは、ＤＣＮ_ｉに対応するように人工的に設計され、且つＤＣＮ_ｉとは異なる配列を有した塩基配列ＤＣＮ_ｉ ^＊を５’端側に具備し且つ３’端側に隣接してＤＣＮ_ｉ配列を具えたオリゴヌクレオチドである。このような反転オリゴヌクレオチドと存在分子とのハイブリダイゼーション反応を利用することにより、「存在しない標的」を検出可能な「不在分子」に変換することが可能である。
【０２６０】
まず、図３２に示す工程において、反転オリゴヌクレオチド４に対して、図３１の過程で抽出した発現遺伝子に対応するＤＣＮ_ｉの存在オリゴヌクレオチド３３をハイブリダイズし、ポリメラーゼにより伸長反応を行う（図３２）。その結果、発現遺伝子のＤＣＮ_ｉは伸長し、ＤＣＮ_ｉ ^＊の配列の部分まで相補鎖が合成される（図３２）。一方、図３３の通り、標的分子が非発現遺伝子（ここではＤＣＮ_ｋと示す）であった場合、ＤＣＮ_ｋに相補的なオリゴヌクレオチドは反応液中に存在しないため、反転オリゴヌクレオチド５は１本鎖のままで存在する（図３３）。これら２本鎖と１本鎖の混合物は、ヒドロキシアパタイトを含むカラムに通すことで１本鎖の反転オリゴヌクレオチド５のみを抽出することができる（図３４）。
【０２６１】
このように抽出した非発現遺伝子に対応するＤＣＮ_ｋをもつ反転オリゴヌクレオチド５を、ストレプトアビジンを結合した磁気ビーズに捕獲する（図３５）。次に、上述した存在オリゴヌクレオチド３のみの抽出と同様に、ＤＣＮ_ｋ ^＊に相補的なオリゴヌクレオチド６をハイブリダイゼーションし、過剰なオリゴヌクレオチドを除去して非発現遺伝子を示すＤＣＮ_ｋ ^＊にハイブリダイゼーションした不存在オリゴヌクレオチド６のみを抽出することができる（図３５）。
【０２６２】
不存在オリゴヌクレオチド６を得るための工程は以下のようにも実施できる。即ち、ＤＣＮ_ｉオリゴヌクレオチドの５’端にＦＩＴＣなどの蛍光分子を標識しておき、ＤＣＮ_ｉに相補的な配列を有するプローブを含むＤＮＡマイクロアレイにおいてハイブリダイゼーション反応を行う。これをスキャナなどで読み取り、どのＤＣＮ_ｉが存在するかを検出する。このとき同時に、これにより存在していないＤＣＮ_ｋもわかる。従って、これらのデータから、次の演算のためにＤＣＮ_ｋ ^＊なる不存在オリゴヌクレオチド６を準備する。以上により存在しない核酸をその核酸に対応する不存在を示す核酸に変換することが達成される。これにより演算用核酸上での論理演算が可能になる。
【０２６３】
また、この不存在オリゴヌクレオチド６を作る工程において、１本鎖の反転オリゴヌクレオチド５を鋳型として不存在オリゴヌクレオチド６を増幅してもよい。増幅は、例えば、図４０から図４５に示される各工程を経て実施することが可能である。ここで、図４０から図４５は、それぞれの工程を示すものであり、且つ各系に存在する分子を模式的に示したものである。各図中に示される記号等の詳細は上述した通りである。まず、図３４の工程に従って、抽出された１本鎖のままの反転オリゴヌクレオチド５を得る（図３４）。この反転オリゴヌクレオチド５に対して、図４０に示すような、３’端側でＳＤに相補的な配列と、且つ５’端側でＥＤ配列に相補的な配列と結合したＤＣＮ_ｋ ^＊に相補的な配列を有したオリゴヌクレオチド７をハイブリダイゼーションすることで不存在オリゴヌクレオチド６を抽出する。続いて、ＦＩＧ．３６から２２に示すような工程により、存在オリゴヌクレオチド３と同様に増幅したＤＣＮ_ｋ ^＊を得ることができる。即ち、図４１に示す工程で、図４０の工程において得たオリゴヌクレオチド７に対してビオチン標識したＳＤ配列を有するプライマー１と、ＥＤ配列に相補的な配列を有するプライマー２を用いてＰＣＲ増幅する（図４１）。次に、ＰＣＲ産物をビオチンをストレプトアビジン分子に結合することにより回収する（図４２）。続いて、熱変性により、ＰＣＲ産物を１本鎖にする（図４３）。続いて、ＤＣＮ_ｋ ^＊に相補的な配列をもつ不存在オリゴヌクレオチドを、ビーズに捕獲されたＰＣＲ産物にハイブリダイズする（図４４）。このハイブリダイゼーションの後、過剰な存在オリゴヌクレオチドを除去し、続いて、改めて熱をかけることによってビーズに捕獲されているＤＣＮ_ｋ ^＊の相補鎖（即ち、不存在オリゴヌクレオチド６）をバッファ中に抽出する。ここで抽出されたＤＣＮ_ｋ ^＊に相補的な塩基配列を有する不存在オリゴヌクレオチド６が、即ち、もとのｃＤＮＡ溶液中に標的遺伝子が存在しないことを示す不存在分子である。
【０２６４】
（１．３）演算工程
演算工程では、上述で得られた存在分子および不存在分子と、以下に説明する演算用核酸とのハイブリダイゼーションおよび相補鎖合成とを行い、それによって、所望する条件を現す演算式を解き、該条件を満たす解を求める並列計算を行う。
【０２６５】
演算の例として演算式として数式４を用いる。ある特定の配列ＤＣＮ_１、ＤＣＮ_２、ＤＣＮ_３およびＤＣＮ_４を標的配列とし、その有無の条件について論理式として示した数式４を、演算用核酸と存在分子および不存在分子とのハイブリダイゼーション反応と伸長によって、演算し、値を評価する。数式４は、ＤＣＮ_１、ＤＣＮ_２、ＤＣＮ_３およびＤＣＮ_４についての所望する有無についての組合せを所望の条件として示している。即ち、本例では数式４の解を求めるということは、あるサンプル中における複数の標的配列の有無を同時に評価することである。
【０２６６】
【数４】

式中、「¬」は「否定」、「∧」は「論理積」、「∨」は「論理和」を表す記号である。
【０２６７】
演算用核酸に設定した条件を満たす場合は、当該式の値は「１」、即ち「真」となる。また、演算用核酸に設定した条件が満たされない場合は、当該式の値は「０」、即ち「偽」となる。また本発明は、基本的な排他的論理和を達成している。従って、この組合せを用いればブール代数の全ての論理演算を実現できる。
【０２６８】
図３６に示すのが演算用核酸８の配列構造である。演算用核酸は１本鎖のオリゴヌクレオチドであり、図では矢印で示している。矢印の向きは５’端から３’端に向かっている。５’端にはビオチン分子が付いている。演算用核酸は複数のユニットを含む。その塩基配列は、５’端から順に、マーカー分子が結合するＭ_１、ＤＣＮ_１が存在しないときに得られるオリゴヌクレオチドを検出する配列ＤＣＮ_１ ^＊、ＤＣＮ_２、ポリメラーゼによる相補鎖伸長が止まるような配列を具えたストッパ配列Ｓ、２つ目のマーカーが付くＭ_２、ＤＣＮ_３、ＤＣＮ_４ ^＊である。この演算用核酸の配列は、論理式の各項の並びにほぼ対応する。論理式の「否定」もそのままの配列となる。例えば、「ＤＣＮ_４」配列の存在が「否定」される場合には、「ＤＣＮ_４ ^＊」の配列を用いる。ここで、ＤＣＮ_４ ^＊は上述した通りのＤＣＮ_４の対応するように設計された人工的な配列である。また、「論理和」記号はＳ配列に置き換えればよい。「論理積」は演算用核酸上の配列として置き換える必要はない。式１のための演算用核酸の演算は、表３の各条件を満たすときに、その値が１になる。表３中「―」はどのような状態でもよいことを示す。
【０２６９】
【表３】

【０２７０】
以下、論理式を評価する核酸反応について、その工程を説明する。演算工程は図３７から図３９の工程を含み、演算反応は次の手順で行う。先に述べた論理式の演算を行うときには、図３６に挙げた配列を具備した演算用核酸を準備する。１つのチューブに対して１種類の演算用核酸を入れ、それに先の工程で得た存在オリゴヌクレオチドと不存在オリゴヌクレオチドを含む溶液を入れ、ハイブリダイゼーション反応を行う（図３７）。ここで、仮に、ＤＣＮ_１、ＤＣＮ_３、ＤＣＮ_４が存在し、ＤＣＮ_２が不存在であるならば、演算用核酸にハイブリダイゼーションするのはＤＣＮ_３のみである（図３７）。また、ハイブリダイゼーション反応後、Ｔａｑポリメラーゼなど高温でも活性のある酵素により、ミスハイブリダイゼーションがおきない条件下で伸長反応を行うと、図３８のようにＭ_２配列部分は２本鎖となりＳ配列で伸長が止まる（図３８）。
【０２７１】
次に、ストレプトアビジン磁気ビーズにより反応が終了した演算用核酸を捕獲する（図３９）。最後に、検出反応としてマーカーオリゴヌクレオチドのハイブリダイゼーション反応を行う（図３９）。図３９では、担体上に固定された演算用核酸を示しており、その５’端のビオチン分子は担体上にあるストレプトアビジン分子に結合している。さらにマーカー検出配列に相補的な配列をもつマーカーオリゴヌクレオチドＭ_１、Ｍ_２を準備する。これらマーカーオリゴヌクレオチドの５’端には蛍光を発する分子が付いている。この例では、演算用核酸のＭ_１配列は２本鎖化されていないので、当該マーカーは演算用核酸に結合することが可能である（図３９）。このあと、結合していないマーカーを除去してビーズを蛍光観察すれば、マーカーオリゴヌクレオチドＭ_１がハイブリダイゼーションして蛍光を発するため演算結果得られる論理式の値は「１」であることが分かる。
【０２７２】
上述では、Ｓ配列をストッパーとして使用したが、Ｓ配列を必ずしも配置する必要はない。その代わりとしてＳ配列をなくし、相補鎖が形成されないように人工的な塩基を具えたヌクレオチドを含ませてもよい。このとき、演算用核酸をＳ配列の両側に配置すればよい。例えば、Ｓ配列は、他の配列部分にシトシン塩基が含まれないように設計し、Ｓ配列の塩基配列にシトシン塩基が含まれるように設計してもよい。この場合、図３８に示す演算用核酸上での伸長反応の際にモノマーとしてｄＧＴＰを別途加えなければ伸長反応はＳ配列上で停止する。また或いは、ポリメラーゼが伸長反応を停止し易いグアニンやシトシンの連続した塩基配列としてもストッパーとしての目的を達成できる。或いは、Ｓ配列に相補的なＰＮＡを演算用核酸にハイブリダイゼーションさせておいてもよい。この場合、ＤＮＡとＤＮＡのハイブリッドよりも、ＤＮＡとＰＮＡのハイブリッドは安定であるため、５’エクソヌクレアーゼ活性のあるポリメラーゼであっても除去することなできない。従って、Ｓ配列がストッパーとして機能する。
【０２７３】
また、マーカーオリゴヌクレオチドの蛍光標識の種類を増やしてもよい。現在は、数多くの蛍光色素が開発されており異なる核酸に異なる蛍光色素を標識することが可能である。そのようにすれば、同時に多くの演算用核酸を標識することができる。例えば、この実施の形態において、Ｍ_１マーカーオリゴヌクレオチドとＭ_２マーカーオリゴヌクレオチドとの間で蛍光分子を変えれば、検出した際に論理式の括弧で囲まれたどちらの条件が充足されたのかが判明する。また、演算用核酸毎にマーカー配列を変え、マーカーオリゴヌクレオチドに標識する蛍光分子も変えれば、１つのチューブに複数種類の演算用核酸を入れて同時に演算反応をすることもできる。更にまた、蛍光強度は演算核酸の表現する論理式の充足度に比例するので、その大きさを知ることも可能である。
【０２７４】
また、演算結果を得るに当たって、次のようなこともできる。即ち、この実施の形態における存在オリゴヌクレオチドと不存在オリゴヌクレオチドを増幅する工程において、ＰＣＲ反応を増幅が飽和するように十分なサイクル数行えば、「存在」を「１」、「不存在」を「０」とする２値の論理演算が可能である。一方、ＰＣＲ反応を増幅を飽和させず、元のｃＤＮＡの存在量に比例した量だけ得られるようにサイクル数を抑えれば、論理式を区間［０，１］で確率的に評価することができる。例えば、発現遺伝子の場合は発現量に応じた結果が得られ、ゲノム配列であれば、ヘテロ接合かホモ接合かの違いを演算結果で知ることができる。
【０２７５】
さらに演算用核酸をＤＮＡマイクロアレイのように、基板上に微小スポット状に固定し、その場所と演算用核酸の論理式が対応するようにアドレシングしておいてもよい。このようにしたときはマーカーオリゴヌクレオチドには蛍光標識をしておくのが好ましい。先に述べた演算反応をマイクロアレイ上の演算用核酸で行うと、ＤＮＡマイクロアレイの読みとり用スキャナで演算結果を読みとることができる。
【０２７６】
また、このマーカーオリゴヌクレオチドにビオチン分子を標識していてもよい。このとき、演算用核酸の５’端にはビオチンを付けず、３’端、５’端にクローニングのための制限酵素認識配列を含むものにする。さらに反応においては図３９に示すような演算用核酸をストレプトアビジン磁気ビーズにより捕獲する工程を行わない。この場合の検出反応はマーカーオリゴヌクレオチドをハイブリダイゼーション反応した後で、ストレプトアビジン磁気ビーズによって演算用核酸をハイブリダイズしたマーカーオリゴヌクレオチドもそうでないものも両方とも捕獲し、捕獲された演算用核酸をクローニングし、シーケンサーで塩基配列を読み取る。それにより演算結果が「１」となる演算用核酸を確認することができる。このようにすれば１つのチューブに複数種の演算用核酸を入れて反応を行うことができる。
【０２７７】
ここでは、４つの標的配列を用いた例を用いたが、更に多くの標的配列を対象とすることも可能である。また、ここでは、ビオチンとストレプトアビジンを回収を行うためのタグとして使用したが、これに限られるものではなく、タグとこれに対して高親和性を有するものであればどのような物質を使用してもよい。
【０２７８】
（ｂ）第２の実施の形態
本発明の好ましい態様に従うと、上述した方法において、ＤＣＮ配列として正規直交化配列を用いてもよい。「正規直交化配列」とは人工的に設計した塩基配列であって、「正規」とは融解温度（Ｔ_ｍ）が揃っていることを示し、「直交化」とはミスハイブリダイゼーションが起きず、自己分子内で安定な構造をとらないということを意味する。
【０２７９】
例えば、１５塩基の正規直交化配列を求めるには、任意の５塩基をランダムに生成する。これら短い塩基配列を「タプル」と呼ぶことにする。５塩基長のタプルは４^５＝１０２４種類ある。これらタプルの中から３つを選んで連結し１５塩基を構成する。この連結に用いたタプルに相補的なタプルは以降の連結には用いない。ここで、これらを連結した１５塩基の配列のＴ_ｍが±３℃以内に揃うような１５塩基のセットを作る。また、自己分子内で安定な構造を取るかどうかも計算し、安定な構造をなすならばそのような１５塩基は排除する。
【０２８０】
最後に全ての配列同士で互いに安定な２本鎖を形成しないかを検証する。以上の方法で生成した１５塩基の配列は反応温度を適切に選べば互いにハイブリッドを形成せず、混在しても独立したハイブリダイゼーション反応をするのでより好ましい。これら正規直交化配列を特定の遺伝子塩基配列と対応関係を持つように核酸ａ_ｉとＡ_ｉの配列を選び第１の実施の形態に従って反応を行えば、反応条件がより簡単になり、しかもより正確な演算反応を行うことが可能である。
【０２８１】
（ｃ）第３の実施の形態
続いて、本発明の好ましい態様に従うと、複数の遺伝子座にそれぞれ特定の塩基配列が存在することで決まるような遺伝子型を判定するためにも使用できる。ここでは、そのような遺伝子型を判定する方法の例を示す。
【０２８２】
遺伝子型に対応する論理式を設定し、その論理式に基づき演算用核酸を設計する。それにより、電子計算機や判定表を用いずに遺伝子型を判定することができる。具体的には、例えば遺伝子座１で塩基Ａ、遺伝子座２で塩基Ｔ、遺伝子座３で塩基Ｇであるとき遺伝子型Ａと判定でき、また、遺伝子座１で塩基Ａ、遺伝子座２で塩基Ｃ、遺伝子座３で塩基Ｔであるとき遺伝子型Ｂであり、また、遺伝子座１で塩基Ａ、遺伝子座２で塩基Ｃ、遺伝子座３で配列Ｇであるとき遺伝子型Ｃと判定できるならば、それぞれを満たす論理式は表４の右端欄に示す通りになる。
【０２８３】
【表４】

【０２８４】
遺伝子型判定はそれぞれの論理式と対応する演算用核酸により演算反応を行う。先ず、式の各要素について遺伝子座に特定の配列が存在する場合の値を１とし不存在の時を０とし、最終的に式全体の値が１となる式があるならば、その式に対応する遺伝子型が判定結果となる。このような核酸を用いた演算いる本発明の方法により、遺伝子座が多くあり且つ遺伝子型は極少ないような遺伝子の型判定が、複雑な表や電子計算機を必要としない簡便なものとなる。
【０２８５】
（ｄ）第４の実施の形態
更に、本発明の好ましい態様に従うと、上述の方法は、癌細胞の遺伝子発現において各種遺伝子がどのような発現、非発現の条件（即ち、状態）下にあるかのを調べることにも利用できる。上述した第１の実施の形態に対すると、第３の実施の形態は、所謂「逆問題」とも呼ぶことも可能である。
【０２８６】
予め、様々な論理式を表す演算用核酸を準備する。この演算用核酸は、５’端をリン酸化した各種の論理式要素、すなわちＤＣＮ_ｉ、ＤＣＮ_ｉ ^＊、Ｓ、Ｍ等からなる配列を有する。これらに加えて、例えば、図４５に示すような論理式要素を連結するための連結用相補核酸９を準備する。連結用相補核酸９の配列は、連結を所望する仕切部分に隣接して存在する２つの部分の配列に相補的な配列を有すればよい。
【０２８７】
これら核酸をハイブリダイゼーションし、ライゲースで連結反応すれば任意に論理式要素が結合された演算用核酸が得られる。連結用相補核酸の配列を十分考慮して設計することで論理式として不適当なものが生成されないようにできる。
【０２８８】
この演算用核酸を用いて逆問題を解くには、癌細胞から取得したｃＤＮＡを第１の実施の形態にしたがって、論理式要素の配列に変換し、あらかじめ準備しておいた様々な論理式を表す演算用核酸により論理演算を行う。最後にこれら演算用核酸が表現する論理式のうち、満たされるものがあるかどうかを検出する。このうち、論理式の値が１となった演算用核酸の意味する内容を解釈することによって、どのような遺伝子の発現、非発現状態が満たされる条件にあるのかを解明することが可能である。或いは少なくともその部分条件を解明することが可能である。
【０２８９】
任意に作製した演算用核酸の配列を同定するには、先ず、１つの容器において反応する。次に、第１の実施の形態のビオチン分子を結合したマーカーオリゴヌクレオチドにてストレプトアビジン磁気ビーズに演算用核酸を回収する。続いて、シーケンシングを行い、演算分子の内容を読みとる方法で論理式を読み取ることが好ましい。また、任意に演算用核酸を作製せずとも、論理式を決めて連結により演算用核酸を合成する方法でおこなってもよい。この場合には、それら論理式をＤＮＡマイクロアレイにアドレシングして固定し、検出時に論理式を確認してもよい。または、１つの容器に１種類の演算用核酸を入れて反応を行っても良い。
【０２９０】
これらの結果を正常細胞と比較すれば、未知のゲノム塩基配列の組み合わせにより生ずる遺伝病や、未知の遺伝子発現の組み合わせによって生ずる遺伝子異常による癌などの疾病の原因遺伝子を容易に特定することができる。
【０２９１】
（ｅ）考察
従来の技術には、特定の核酸が存在しないことを核酸表現に変換できる技術はなく、また、そのような思想すらない。例えば、ｍＲＮＡの発現状態を検出するにはＤＮＡマイクロアレイがよく用いられている。このマイクロアレイには既知の遺伝子塩基配列をもとに設計したオリゴＤＮＡ、またはあらかじめ取得したｃＤＮＡをプローブとしてスライドガラス上にアレイ状に固定している。
【０２９２】
このマイクロアレイで発現を検出するには、ｍＲＮＡから蛍光標識したｃＤＮＡを作製し、マイクロアレイのプローブと該ｃＤＮＡとをハイブリダイゼーション反応をさせ、特定の配列のプローブを固定した場所に特定の標識したｃＤＮＡが結合して光ることで検出する。ところが、発現していないｍＲＮＡからは標識ｃＤＮＡが作製できないので、遺伝子が発現していないことを検出できない。すなわち、実験中にｍＲＮＡが失われたり、遺伝子が発現しているにもかかわらず生成される蛍光標識ｃＤＮＡが少ないために不存在であると判定されることがある。このような従来の方法とは異なり、本発明の１態様に従うと、不在の核酸の情報を可視化することが可能である。
【０２９３】
また、遺伝子核酸を反応させるとき、数多くの遺伝子が混在した状態では思わぬ核酸同士がハイブリッドを形成して反応することがある。また、塩基配列に含まれるグアニンやシトシンなどの塩基の数は２本鎖核酸の構造を安定化する。このような塩基が、取り扱う遺伝子核酸毎にまちまちであれば、ハイブリッドを形成する最適な温度が異なる。そのため、全ての核酸がミスマッチのない、適切なハイブリッドを形成できるとは限らない。また、自己分子内で構造をとり、標的配列との反応性が低くなるような塩基配列をもつ核酸が混在している場合には、理論的に予想される反応が進まないこともあり得る。このような従来の方法に比較して、本発明の態様に従う方法では、情報を、好ましい条件で設計した核酸分子に、置き換えてから、反応に使用するので、安定した反応を行うことが可能である。
【０２９４】
また、化学発光など酵素を用いた検出法は高感度であるが、検出のための処理が面倒で時間がかかる。更に、１チューブ内で複数の種類の化学発光を行うことは難しい。また、演算用核酸を用いて演算した場合、その結果を見るのに単一の発色もしくは発光反応では１チューブで１種類の演算用核酸しか反応できない。これに対して、本発明の態様に従えば、感度よく、多数の標的核酸を同時に感度よく検出することが可能である。
【０２９５】
また、従来の方法では、核酸の存在条件のみに基づいて作った論理式が演算用核酸に書き換えられている。ところがおよそ世の中に存在する問題は所謂「逆問題」である。例えば遺伝病における各遺伝子の発現状態について調べたとき、どのような遺伝子核酸の存在、不存在の条件が満たされれば病気になるのかが問題である。従って、遺伝子核酸の存在および不存在の論理式を求めることこそが問題なのである。従来では、このような問題は、ＤＮＡマイクロアレイのデータを大型計算機によりクラスタ解析して解いていた。従って、非常に多くの時間と費用とが必要とされていた。本発明の態様に従うと、短時間に、且つ経済的にそのような問題を解くことが可能である。
【０２９６】
ここでは、遺伝子解析のための方法についても示したが、これに限定されず、本発明の範囲を超えることなく種々の並列計算による情報処理を行うことが可能である。即ち、遺伝子解析以外の情報の、例えば、数学的な問題を並列処理を行って解く場合においても、優れた利点を得られる当業者には容易に理解されるであろう。
【０２９７】
ＩＩＩ．その他の適用例
（１）上述したように本発明の１態様は、
分子の化学反応により分子計算を実行する分子計算方法であって、
分子を核酸配列に基づき符号化した符号分子に対応付けて定義された変数及び定数と、前記符号分子の演算反応に対応付けて定義された関数により記述されたプログラムを、前記符号分子の演算反応に対応する分子の化学反応の反応制御を行う反応制御部を駆動させるための制御命令に変換して前記制御命令の手順を生成し、
前記制御命令の手順を前記反応制御部に出力し、
前記制御命令の手順に基づき分子の化学反応の反応制御を行う
方法を提供する。
【０２９８】
また、この態様では、分子の化学反応のうち、核酸配列の反応の規則性に着目し、その規則性を演算反応に対応付けた。核酸配列の反応の規則性のみならず、分子の他の生物学的及び生化学的な規則性に基づき生じる化学反応を演算反応に対応付けることにより、同様の分子計算が可能となる。
【０２９９】
例えば、本発明の核酸配列以外の生物学的および生化学的物質、例えば、ペプチド、オリゴペプチドおよびポリペプチド、蛋白質、並びに抗原および抗体などの生物学的および生化学的な要素を用いることができる。この場合、これら要素を核酸配列に替えて符号化し、符号化されたこれら各要素に対して対応付けて定義された変数および定数と、符号化された要素の演算反応に対応付けて定義された関数により記述されたプログラムにより原始プログラムを作成すればよい。
【０３００】
この明細書には、以下の発明が含まれることを確認する。
【０３０１】
分子の化学反応により分子計算を実行する分子計算の計画を設定する分子計算計画設計装置であって、
分子を該分子の生物学的性質又は生化学的性質に基づき符号化した符号分子に対応付けて定義された変数及び定数と、前記符号分子の演算反応に対応付けて定義された関数により記述されたプログラムを、前記符号分子の演算反応に対応する分子の化学反応の反応制御を行う反応制御部を駆動させるための制御命令に変換して前記制御命令の手順を生成する制御命令生成部と、
前記制御命令の手順を出力する出力部。
【０３０２】
（２）さらなる適用例を以下の（２ａ）〜（２ｃ）に示す。
【０３０３】
（２ａ）この実施形態は、異なる反応原理が、同一の分子に対する生物学的処理工程を段階的に分割した複数の単位処理工程に相当し、少なくとも対象となる分子の前処理反応、主反応とを単位処理工程として含む場合の分子計算に関する。より具体的には、前処理反応が核酸抽出のための反応工程を含むとともに、主反応が標的核酸に対する特異的な核酸ハイブリダイゼーションのための反応工程を含んでいる。
【０３０４】
（２ｂ）この実施形態は、異なる反応原理が、それぞれ異なる生物学的活性に基づく反応を有するものであって、好適には生物学的活性が、免疫学的活性、生化学的活性、遺伝学的活性、生理学的活性の群から選ばれる異なる活性の任意の組合せからなる。従って、例えば抗原抗体反応、核酸のハイブリッド形成など、情報を担う分子の種類がアミノ酸、タンパク質、核酸などの複数種類にわたって処理される反応を含む。ここで、異なる反応原理にそれぞれ適用される符号分子が、異なる反応原理に対応する複数の化学反応の各々について共通の符号化形式により符号化された部分を少なくとも含むことによって、生物学的活性の種類に関係無く、一括して分子計算することが可能となる。共通の符号分子として好ましいのは、正規直交化配列である。
【０３０５】
（２ｃ）この実施形態は、異なる反応原理が、同一の生物学的活性に対して異なるアルゴリズムを経て計算結果を出力するような分子計算に適用するものである。異なるアルゴリズムを実行するための技術要素としては、同一の生物学的活性に対して互いに異なる機器を適用する場合が例示される。ここで、異なる機器は、反応容器、液体分注手段、測定手段、温調手段の群から選ばれる。
【０３０６】
反応容器において異なる機器というのは、形状、寸法あるいは材質が異なるような化学反応用の任意の種類の反応容器（ウェル、フィルタ、キャピラリ、平板、棒体等）が挙げられる。また、液体分注手段において異なる機器というのは、分注する液体の種類、量あるいは組成が異なるような化学反応用の任意の工程に使用される液体分注手段である。ここで、分注する液体は、異なる種類の試薬を含んでいたり、１個以上の微粒子を含んでいてもよい。また、測定手段において異なる機器というのは、測定原理（光測定、電気化学測定、電磁測定、イオン測定、分子運動測定、振動測定、画像測定等）又は測定機構（共焦点光学系、散乱光学系、センサ、流路系、スキャニング系等）が異なるような化学反応用の任意の種類の測定手段が挙げられる。また、温調手段において異なる機器というのは、反応のための温度、恒温時間、保温構造、あるいは温調タイミングが異なるような化学反応用の任意の種類の温調手段が挙げられる。
【０３０７】
好ましくは、異なる反応原理のそれぞれに適用される符号分子が、異なる反応原理に対応する複数の化学反応の各々について共通の符号化形式により符号化された部分を少なくとも含むことによって、必要とするアルゴリズム、ひいては実行用機器の種類に関係無く、一括して分子計算することが可能となる。共通の符号分子として好ましいのは、正規直交化配列である。
【０３０８】
これら（２ａ）〜（２ｃ）に示した実施形態は、前述の実施形態の分子計算部と電子計算部からなる分子計算装置において、分子計算部や電子計算部の周辺装置を含んだ、システムとしての分子計算装置を想定している。
【０３０９】
周辺装置としては、例えば細胞からＲＮＡを抽出する検体前処理装置、ＤＮＡマイクロアレイの蛍光をスキャニングし読み取るマイクロアレイスキャナ、出力されたデータをプリントアウトする装置、そのデータをデータベースに登録する装置などが該当する。
【０３１０】
これら周辺装置により、分子計算装置による処理の前後や、核酸による分子計算の途中の処理に割込をかけて分子計算装置の中核部分以外で処理を行う部分を包括したシステムとしても本発明が成立することが確認される。
【０３１１】
（２ａ）〜（２ｃ）において、反応原理とは、例えば核酸が相補的に結合するハイブリダイゼーションの原理、制限酵素により認識切断される原理、抗体が抗原に結合する原理、ＲＮＡが特殊処理したカラムで抽出される原理などを含む。「反応原理が異なる」場合とは、対象物質や対象物質同士の反応方法、反応量等の分子計算内容が異なる場合を指す。
【０３１２】
（２ａ）において、「同一分子」とは、例えば核酸が対象物質であればその核酸のことを指す。従って、「同一の分子に対する生物学的処理工程」とは、例えば同一の核酸に対するＡｍｐｌｉｆｙやＥｎｃｏｄｅなどの異なる関数による反応原理などが含まれる。また、前処理には、例えば細胞からの遺伝子ＤＮＡの抽出や、抽出したＲＮＡからのＤＮＡへの逆転写などが含まれ、主反応とは、これらＤＮＡ抽出や逆転写などとは対照的に分子計算装置本体で行われる反応を指す。生物学的処理工程とは、分子計算部で行われる実験の各ステップに対応する。このように、生物学的処理工程のそれぞれで、計算における情報を担う物質が順次処理されていく。
【０３１３】
なお、上述の（２ａ）〜（２ｃ）に示した内容により、以下のような種々の作用効果が達成される。
【０３１４】
（イ）本装置の計算反応計画機能は、分子計算装置だけの計算反応計画立案のみならず、本発明の説明に述べていない異なる反応原理を用いて反応装置、検出装置、核酸抽出装置、細胞培養装置などと組み合わせたシステムに対しても適用できる。これは、例えば抗原抗体反応、高速液体クロマトグラフィーによる検出などの装置と組み合わせた分子計算システムについて、それら装置の入出力、処理や計測の時間を考慮して適切な計算反応計画を立案できるということである。
【０３１５】
従って、本発明は、分子計算装置と組み合わせた反応装置、検出装置、検体前処理装置、細胞培養装置を含めた計算反応を立案する分子計算システムとしても成立する。
【０３１６】
（ロ）核酸タグ（標識）を用いた検出方法と組み合わせた分子計算装置としても成立する。例えば、抗体に正規直交化配列のタグ核酸を標識し、その抗体を用いて抗原抗体反応を行い、その正規直交化配列のタグ核酸を検出する方法を用いた場合でも計算反応を行うことができる。これは、遺伝子検出に限った用途ではなく、例えばタンパク質の相互作用を利用すると、その親和度に応じて結合した結合量を読み取るような計算にも適用できる。
【０３１７】
（ハ）遺伝子検出をこの分子計算装置により行うと、遺伝子配列は正規直交化配列に変換されて反応処理される。従って、従来の技術では困難であった類似した遺伝子配列の識別が容易にでき、また論理演算など計算反応を行うことができる。このことで、従来検出結果が出てからコンピュータで計算処理をしていた手順を省くとともに、直接ＤＮＡを計算対象にすることで処理結果がより正確になる。故に高機能で正確かつ高速な遺伝子検査診断システムが構成できる。
【０３１８】
（ニ）遺伝子検査診断システムの分子計算装置の検出部において、マイクロアレイを用いると一度に数多くの正規直交化配列を検出することができる。
【０３１９】
（ホ）キャピラリアレイを用いると同時に多種類の異なる検体に対して、それぞれ多くの正規直交化配列を検出することができる。
【０３２０】
（ヘ）遺伝子検査診断システムの分子計算装置の検出部において、蛍光相関分光法（Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　：　ＦＣＳ）を用いると、少量の試料溶液で特定の正規直交化配列が試料中に存在することを高感度に検出することができ、反応液量が少ない高感度で正確で高速な遺伝子検査診断システムが構成できる。
【０３２１】
なお、この（２ａ）〜（２ｃ）で示した実施形態は、本発明の属する技術分野の通常の知識を有する者であれば、他の実施形態の記載と組み合わせて分子計算装置や分子計算プログラムを設計し、分子計算方法を実行することができることは容易に理解できるであろう。
【０３２２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、分子計算機の高い並列計算性を活かし、しかも分子計算機だけでは実現することが難しい機能を電子計算機により補完することにより、従来の電子コンピュータよりも高速に計算を実行することが可能となる。特に、本発明では、異なる反応原理に対応する複数種類の反応を、分子演算の並列性を利用して総括的に分子計算するようにしたので、分子計算機の機能を最大限に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分子計算装置を示すブロック図。
【図２】本発明の分子計算装置の各部の配置を示す模式図。
【図３】本発明の分子計算装置を示すブロック図。
【図４】本発明の分子計算方法の処理のフローチャート。
【図５】分子計算方法の処理の変形例を示すフローチャート。
【図６】分子計算方法の処理の変形例を示すフローチャート。
【図７】分子計算方法の処理の変形例を示すフローチャート。
【図８】分子計算方法の処理の変形例を示すフローチャート。
【図９】分子計算方法の処理の変形例を示すフローチャート。
【図１０】分子計算方法のデータフロー図。
【図１１】手続または関数−演算反応変換データテーブルの一例を示す図。
【図１２】演算反応手順テーブルの一例を示す図。
【図１３】実行手順テーブルの一例を示す図。
【図１４】制御命令手順テーブルの一例を示す図。
【図１５】コマンドの処理の概要を示すフローチャート。
【図１６】コマンドの処理の概要を示すフローチャート。
【図１７】コマンドの処理の概要を示すフローチャート。
【図１８】コマンドの処理の概要を示すフローチャート。
【図１９】配列の同定方法の例を示す概念図。
【図２０】プログラムの流れを示すフローチャート。
【図２１】配列同定の結果を示すチャート。
【図２２】遺伝子解析のためのエンコード反応とデコード反応とを示すフローチャート。
【図２３】遺伝子解析のための分子設計例を示す図。
【図２４】遺伝子検出反応工程における各分子の状態を示す模式図。
【図２５】標的が存在した場合の反応系における各分子の状態を示す模式図。
【図２６】ストレプトアビジン磁気ビーズによる捕獲工程における各分子の状態を示す模式図。
【図２７】ＤＣＮ_ｉの抽出工程における各分子の状態を示す模式図。
【図２８】抽出工程で得られたＤＣＮ_ｉに相補的な配列の増幅の模式図。
【図２９】図２８の増幅により得られた増幅産物を捕獲する工程における各分子の状態を示す模式図。
【図３０】熱変性により一本鎖化する工程における各分子の状態を示す模式図。
【図３１】発現遺伝子の情報を存在分子に変換する工程における各分子の挙動を示す模式図。
【図３２】非発現遺伝子を検出し、不存在分子に変換するための最初の工程における反転オリゴヌクレオチドと存在分子の反応を示す模式図。
【図３３】ある非発現遺伝子のための反転オリゴヌクレオチドの状態を示す模式図。
【図３４】反転オリゴヌクレオチドの抽出工程における分子の状態を示す模式図。
【図３５】ストレプトアビジンを固定した磁気ビーズによるＤＣＮ_ｋ＊の捕捉とハイブリダイゼーションによる抽出工程における各分子の状態を示す模式図。
【図３６】演算用核酸を示す模式図。
【図３７】演算用核酸と存在分子および不存在分子とのハイブリダイゼーション工程における各分子の状態を示す模式図。
【図３８】図３７の工程の後に演算用核酸にハイブリッドした前記分子を伸長する工程における各分子の状態を示す模式図。
【図３９】マーカーオリゴヌクレオチドＭ_１およびＭ_２による計算結果の検出工程における各分子の状態を示す模式図。
【図４０】不存在分子の増幅のために不存在分子を抽出回収する工程における各分子の状態を示す模式図。
【図４１】不存在分子の増幅のためのＰＣＲ工程における各分子の状態を示す模式図。
【図４２】図４１の工程により生じた増幅産物を捕獲する工程における各分子の状態を示す模式図。
【図４３】図４２の工程で回収された増幅産物を１本鎖にする工程における各分子の状態を示す模式図。
【図４４】図４３の工程の１本鎖に対する不存在分子のハイブリダイゼーションを行う工程における各分子の状態を示す模式図。
【図４５】演算用核酸のランダムライブラリの作成方法において使用する連結用相補核酸と、連結対象となる演算用核酸の一部分を示す模式図。
【符号の説明】
１１…入力部
１２…入出力制御部
１３…記憶部
１４…演算部
１４ａ…翻訳・計算計画立案・実行部
１４ｂ…核酸配列計算部
１４ｃ…結果解析部
１５…演算部
１６…記憶部
１７…入出力制御部
１８…入力部
１９…出力部
２０…出力部
２１…電子計算部
２２…分子計算部
２３，２４…通信部
３０…核酸合成装置
１５１…自動制御部
１５２…ＸＹＺ制御ピペッタ
１５３…サーマルサイクラ反応容器
１５４…ビーズ容器
１５５…酵素容器
１５６…緩衝液容器
１５７…核酸容器
１５８…検出部
１５９…温度制御手段
１６０…搬送機構

Claims (14)

1. 分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応により分子計算を実行する分子計算装置であって、
   分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応の反応制御を行う反応制御部を備えた分子計算部と、
   分子を核酸配列に基づき符号化した符号分子に対応付けて定義された変数及び定数と、前記符号分子の演算反応に対応付けて定義された関数により記述されたプログラムを、前記符号分子の演算反応に対応する分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応の反応制御を行う前記反応制御部を駆動させるための制御命令に変換して前記制御命令の手順を生成する制御命令生成部と、
   前記制御命令の手順を出力する出力部とを有する電子計算部
   を備える分子計算装置。
2. 分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応により分子計算を実行する分子計算の計画を設定する分子計算計画設計装置であって、
   分子を核酸配列に基づき符号化した符号分子に対応付けて定義された変数及び定数と、前記符号分子の演算反応に対応付けて定義された関数により記述されたプログラムを、前記符号分子の演算反応に対応する分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応の反応制御を行う反応制御部を駆動させるための制御命令に変換して前記制御命令の手順を生成する制御命令生成部と、
   前記制御命令の手順を出力する出力部からなる分子計算計画設計装置。
3. 分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応により分子計算を実行する分子計算方法であって、
   分子を核酸配列に基づき符号化した符号分子に対応付けて定義された変数及び定数と、前記符号分子の演算反応に対応付けて定義された関数により記述されたプログラムを、前記符号分子の演算反応に対応する分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応の反応制御を行う反応制御部を駆動させるための制御命令に変換して前記制御命令の手順を生成し、
   前記制御命令の手順を前記反応制御部に出力し、
   前記制御命令の手順に基づき分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応の反応制御を行う
   分子計算方法。
4. コンピュータシステムに、分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応による分子計算の実行を制御させる分子計算プログラムであって、この分子計算プログラムは、前記コンピュータシステムを、
   分子を核酸配列に基づき符号化した符号分子に対応付けて定義された変数及び定数と、前記符号分子の演算反応に対応付けて定義された関数により記述されたプログラムを、前記符号分子の演算反応に対応する分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応の反応制御を行う反応制御部を駆動させるための制御命令に変換して前記制御命令の手順を生成する指令を前記コンピュータシステムに与える第１の手段と、
   前記記録媒体に記録され、前記制御命令の手順を出力する指令を前記コンピュータシステムに与える第２の手段と、
   前記記録媒体に記録され、前記反応制御部による反応制御により実行された分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応の検出結果を受信し、前記プログラムの記述形式に変換して前記プログラムの計算結果を導出する指令を前記コンピュータシステムに与える第３の手段
   として機能させる分子計算プログラム。
5. 分子計算部に分子の化学反応であって且つ複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応による分子計算の実行をさせる指令を与える電子計算部に対して指令を与える分子計算結果解析プログラムであって、この分子計算結果解析プログラムは、前記電子計算部を、
   前記分子計算部により計算した情報を、前記電子計算部の電気学的プログラムに適合する情報形式に変換する指令を前記電子計算部に与える手段
   として機能させる分子計算結果解析プログラム。
6. 前記異なる反応原理の各々が、同一の分子に対する生物学的処理工程を段階的に分割した複数の単位処理工程の各々に相当し、少なくとも対象となる分子の前処理反応及び主反応とを単位処理工程として含む請求項１に記載の分子計算装置。
7. 前記前処理反応が核酸抽出のための反応工程を含むとともに、前記主反応が標的核酸に対する特異的な核酸ハイブリダイゼーション反応を含む請求項６に記載の分子計算装置。
8. 前記異なる反応原理の各々が、分子の異なる生物学的活性に基づく複数種類の生物学的反応工程の各々に相当する請求項１に記載の分子計算装置。
9. 前記生物学的活性が、免疫学的活性、生化学的活性、遺伝学的活性、生理学的活性の群から選ばれる請求項８に記載の分子計算装置。
10. 前記異なる反応原理に対応する複数の化学反応の各々が、同一の生物学的活性に対して異なるアルゴリズムを経て実行される請求項１に記載の分子計算装置。
11. 前記異なる反応原理に対応する複数の化学反応の各々が、同一の生物学的活性に対して異なる機器を適用して実行される請求項１に記載の分子計算装置。
12. 前記異なる機器が、反応容器、液体分注手段、測定手段、温調手段の群から選ばれる請求項１１に記載の分子計算装置。
13. 前記符号分子が、複数の異なる反応原理に対応する複数の化学反応の各々について共通の符号化形式により符号化された部分を少なくとも含む請求項１に記載の分子計算装置。
14. 前記符号分子が、正規直交化配列を有している請求項１３に記載の分子計算装置。

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