研究室紹介OPAL-RING
関 研究室

シリコン半導体で作られた既存の“硬いコンピュータ”に対して、我々の身体を構成するＤＮＡやたんぱく質などの物質に計算をさせる、“柔らかいコンピュータ”（分子機械）が注目されています。シリコンチップを体内に埋め込むのは現実的ではありませんが、例えば、ＤＮＡコンピュータならば、人体のがん化した部分に直接、抗がん剤を届けることなども可能でしょう。

分子の自己組織化とは

では、柔らかいコンピュータはどのように作られているのでしょうか。分子機械の研究は現在、実験を中心に活発に行われていますが、モノづくりを効率的に行うには、そこに最適な設計図を与える「理論」が欠かせません。関新之助助教はこの分野で、実験の土台となる理論を研究しています。理論研究は、ともすれば机上の理論になりがちですが、関助教は実用的な分子機械を作るために、「理論と実践の融合を目指す」ことを心がけています。
関助教の研究に対するモチベーションともいうべきものは、「自然が長い年月をかけて編み出してきた情報処理の仕組みを理解すること」にあります。それは、人工のコンピュータの情報処理の仕組みとは必ずしも一致しないでしょう。主な対象としているのが、「分子の自己組織化（Molecular self-assembly）」と呼ばれる現象です。
分子の自己組織化とは、例えば水の分子が雪の結晶に変わるような、「外部のコントロールを受けずに、分子間の相互作用によって何らかの秩序が生み出される現象」のことです。情報処理を伴うこうした自然界の現象を数理モデルで表し、理論的に解析するのが関助教の仕事です。分子機械の実験の研究はあっても、こうした理論の研究は日本ではほとんど行われていないのだそうです。

数学史上、最も長い証明

ＲＮＡ折り紙の数理モデル

もう一つの成果は、ナノエンジニアリングの最新技術である「ＲＮＡ折り紙」を数理モデルで表し、このモデルですべての関数を計算できることを証明したことです。ＲＮＡ折り紙とは、ＤＮＡの鎖から転写されたＲＮＡ（リボ核酸）の鎖が、安定な構造へと自動的に折り畳まる実用的な計算システムです。転写と折り畳みを同時に行う、１本鎖からなる革新的なシステムです。これも自己組織化の一つで、コンセプト自体がまだ新しく、実験では14年に成功したばかりです。
関助教は米国の実験チームの依頼を受け、ＲＮＡ折り紙の数理モデルとして「折り畳みシステム」を提唱しました。ＲＮＡを折り畳むだけで計算が可能なことを数学的に示し、さらにその計算能力も厳密に明らかにしたのです。ＲＮＡはヒモ状の物質であり、極論すれば、ヒモが一本あればあらゆる計算ができることになります。関助教は「パソコンやスマートフォンなど、現代の人工的な情報処理もヒモを折り畳むだけでできるようになるかも知れない」と考えています。
もし、ＲＮＡ折り紙で鶴を折ったら、どんな複雑な計算ができるのでしょうか。自然に学ぶ情報処理は、ひょっとすると将来、人工のコンピュータの姿を大きく変えることになるかも知れません。

コンピュータによる泥臭い証明

数学の世界ではしばしば、「美しい結果には美しい証明がある」と言われます。これに対して、関助教は「現実の世界には、コンピュータに任せなければ何百年かかっても解けない、そんな“泥臭い”証明もある」と考え始めており、コンピュータサイエンスの分野から新たな難問に挑んでいます。
【取材・文＝藤木信穂】