なぜ分子生物学実験はクソゲーなのかを考えてみた。

・ほとんどの場合、分子生物学の実験をしようとすると単調でしんどい作業が続く。基本的な操作として、遺伝子組換え、電気泳動、PCRなどがあるが、どれも同じように一つの行程でだいたい３時間異常は拘束されるだろうか。とにかく根気がいる。そこで鬱気味なったり、実験が嫌になる人は多いんじゃないかな。
でも一方で僕たちはマリオやドラクエなんかのゲームは平気で毎日何時間もできるし、クリアまでに５０時間以上かかることも普通にある。それも自発的に、自分からお金を払ってプレイする。

この違いはどこから来るんだろう。最近はソーシャルゲームやWIiの成功もあるし、ゲーミフィケーションの本もたくさん出ているので、ゲーム性という観点から分子生物学の実験はどのような点がまずいのか考えてみたい。特に基本的な操作である遺伝子組換え実験を中心に見てみたい。

電子実験ノート。wiiUをプレイしながら実験しているようにも見える。

・ひとつはセーブポイントの少なさ。セーブという観点から見ると、実験にもいくつかのポイントがある。目的のDNAを含んだ大腸菌の冷凍ストック、冷蔵庫に保存しておいた電気泳動ゲル、きちんと撮影されたDNA電気泳動の写真、各種バッファーなどの溶液のストックなど。

やっぱり問題なのは電気泳動やPCRの手順にはいろいろ失敗しそうな箇所があるのに、４時間ほどの作業の後にしか実験が成功したか失敗したか分からないところだと思う。
いわばドラクエでセーブ無しで２，３個のダンジョンをクリアしろと言われているようなものだ。

・しかし考えてみると、セーブがないのに何時間もやるゲームはいろいろある。マリオやストリートファイターなどもその一例だ。特にファミコン版のマリオの場合はゲームオーバーになると最初からやりなおさないといけなくなる。　でもなぜマリオはゲームオーバーになっても何度もプレイしようと思うんだろうか。
それはたぶん失敗した原因が自分にあるというのが分かることと、その結果として次はプレイをどう改善すればいいのかを直感的に考えることができるからだと思う。

その点実験においては、失敗したとしてもその原因になりそうな箇所が多いので、失敗を目の当たりにした瞬間、何をやっていいのか分からなくて暗然となることがよくある。例えば試料にコンタミネーションがあったんじゃないか、量を測り間違えたのか、マニュアルに載っていない細かな手順があるんじゃないか、など何をどうしていいか分からなくなってしまう。

実際にはゲームでもそんな場面があるはずなのだが、その時は攻略本を見ることができる。実験における攻略本がまだ標準化されておらず、研究室内の秘伝のようなものがある現状だと、まだまだ改善の余地がありそう。

・こういったことを考えると、ゲームにおいては確実に前に進んでいるという感覚が大事なんだと思う。それはセーブに限らない。セーブがなくても、経験値、熟練、ソーシャルでのつながりといったものがあれば、着実に前に進んでいる感覚になれるんじゃないかと思う。

実験の場合、熟練というものは実験のたびに上がっている感覚はあると思う。しかし明示的な経験値やソーシャルのつながりはほとんど得られない。実験の詳細とその成功失敗の情報がネットに載せることができればソーシャルとしての情報共有に関われるし、失敗したとしても実験をする側も着実にみんなの役に立っていると思えるんじゃないか。あるいは同じ実験をいかに効率よく素早くできるかを計って競うというのはどうだろう。

いずれにしてもいかに情報をネットにあげるかというのがポイントになりそう。面倒くさいことではダメ。
そのために将来使えそうなのが、実験ノートのタブレット化だと思う。すでにタブレット形の電子実験ノートはある。E-NOTEBOOKやiPad ELNといったiPadのアプリにもなっているようだ。ペンで紙に書き付けていた実験ノートをiPadのようなものに書き付けることで、その情報をネットで共有しやすくなる。



～他にもコントローラーとしてのピペットや、メニュー画面と棚の配置などについて書きたかったけど、長いので今回はここまで。～

集団生態学の個体数振動モデルについて。

ロトカ＝ヴォルテラの方程式

『数学でみた生命と進化―生き残りゲームの勝者たち』カール・シグムンド (著)　では集団生態学の数学モデルの章があった。　第一次大戦中のアドリア海では漁が中止されていたために、本来漁で取られていた被食者の魚増え、結果その捕食者のサメも増えたという話を聞いた数理物理学者のヴォルテラが、それを数学で表すことも難なく思いついた。　これは被食者が多くなるとそれに追いつく形で捕食者が増えるが、そのうちに被食者が食べられて減少すると捕食者もまた減少していくという、生物数の振動が追いかけっこするような形を表す。　またこの成果を拡張して、餌を多く食べる・少なく食べる、子供を多く産む・少なく生むの４つの組み合わせで捕食者と被食者の数の関係がどうなるかを表す数理モデルができたという。　そしてどうやらこの振動する関係は、外界の環境やちょっとした変動に反応してどちらがか絶滅するなどが原因で破綻することもありうるようだ。


しかしそれ以外にも被食者捕食者の関係に依存しない形で、生物数が振動するモデルもある。多くの昆虫のように、親が子を産むとすぐ死ぬような生き物では、親子が同じ時代に生きることはない。そうすると親の数が少ない場合は、一個体あたりの栄養が多くなるのでたくさんの子供を産むが、その子供の世代は数が多いので一個体あたりの栄養が少なくて子供が少なくなる。　このような理由で世代ごとに増加と減少の振動が続くモデルがある。

ポアンカレ予想とペレリマン関連の本、解釈の違い。

ポアンカレ予想・100年の格闘 ~数学者はキノコ狩りの夢を見る~ [DVD] (2010/05/28) ドキュメンタリー 商品詳細を見る

長年にわたってどんな数学者も解くことができなかったポアンカレ予想をついに解いたのはグレゴリ・ペレリマン。話題性があるだけにいろんな本やテレビ番組が出てきた。個人的には数学にそれほど詳しくないので、本やテレビの分かりやすい解説から、ポアンカレ予想とはどういうものか、ペレリマンとはどういう人物で、なぜフィールズ賞などを辞退し、どうして現在はロシアで人と関わらないで生活しているかなどの情報を知った。

最初に見たのが上の「ポアンカレ予想・100年の格闘 ~数学者はキノコ狩りの夢を見る~」だった。この番組ではペレリマン以前にポアンカレ予想に取り組んだ数学者の話に多くの時間が割かれていた。そういった数学者の多くの人はポアンカレ予想を解こうと数学にのめり込むあまり心を病んでしまったという。最終的にポアンカレ予想を証明したペレリマンもまた心を病んでしまい、そのことがロシアで人と関わらなくなった原因だという流れになっている。
さらに番組中で、ペレリマンがアメリカに行ってポアンカレ予想をいかに解いたかを学会で発表する場面がある。その学会を聴講した他の数学者たちはペレリマンの取った方法に驚いたという。なぜならポアンカレ予想はトポロジーという数学分野の問題であるのに、ペレリマンは微分幾何学を使って説いたからだ、と番組では説明されている。

でも類書の「完全なる証明」と「ポアンカレ予想―世紀の謎を掛けた数学者、解き明かした数学者」を読むと、ペレリマンが人との関係を閉ざした理由ははっきりしていて、本人の証言もあるようだ。どうやらペレリマンがポアンカレ予想を証明した後に起こった世間のさまざまな反応、特に数学界においてペレリマンが不道徳だと感じた出来事が多かったことから数学界に失望したらしい。
たとえばハミルトンのリッチフローという手法を拡張したことが、ポアンカレ予想の証明の具体的な内容だが、ハミルトン本人はペレリマンに先を越された悔しさからか、あまりペレリマンの講演に出席したり質問したりせずにいたらしい。このことがペレリマンからすると不誠実に映ったようだ。もっというと中国人の朱熹平と曹懐東がペレリマンの功績を横取りするかたちで自分たちがポアンカレ予想を証明したと語るなど、スキャンダルも多かった。こういったこともペレリマンが数学界に失望した理由かもしれない。

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また 「ポアンカレ予想―世紀の謎を掛けた数学者、解き明かした数学者」を読んでみると、ペレリマン以前から、ハミルトンがリッチフローという微分方程式や熱という考え方をトポロジーに応用している。ペレリマンの仕事はそのリッチフローの方法のうち、葉巻型と呼ばれる形がトポロジーに応用できてないという欠点を克服したりしてハミルトンの路線を完成させたことにあるようだ。もしそうなら、NHKの番組で、微分幾何学をトポロジーに応用したことがペレリマンの革新的なところであったというのはミスリードなのかな、と思った。ちなみにエントロピーという物理学の考え方を取り入れたのはたしかにペレリマンの斬新な点ではあるみたいだけど。

生命科学研究者応援ソング

・Ph.Diddy登場！



・Ph.Diva と謎のバンド

簡単に生命を作り出す、コンウェイのライフゲーム

数学でみた生命と進化―生き残りゲームの勝者たち (ブルーバックス (B-1111)) (1996/03) カール・シグムンド 商品詳細を見る

最近、カール・シグムンド (著)『数学でみた生命と進化』の古本を買って読んだ。1996年に初版が出たらしく古い内容だけど、それゆえにこの時期の進化学がどうなっていたか分かる。特にコンピュータを使ったシミュレーションは現在から見るとかなり初歩的に見える。
この本では生命のシミュレーションとして、コンウェイの「ライフゲーム」が紹介されていた。これはまだパーソナルコンピュータもそこまで普及していない時代で、仕事そっちのけでエンジニアやオフィスワーカーがハマっていたというゲーム。ルールは、白いセルの周辺に３つの黒いセルがあるとそのセルも黒くなり、黒くなったセルは周辺に２つか３つの黒いセルがあると黒いまま、それ以外だとふたたび白に戻る。
メカニズムは単純だけども、複雑系の要素としての正のフィードバックと負のフィードバックの相互作用によってどんどんドットの形が変化する。初期状態のほんの少しの変化が結果に大きく影響を及ぼすという意味でカオスでもある。実際にやってみると、単に直線を描いただけでも、結果としてとても複雑な動きや幾何学模様などが見えてくる。さらに左右非対称にしてみるとさらに複雑さが増す。

その動きは確かに生命に見えなくもないが、『自己組織化の経済学―経済秩序はいかに創発するか』 ポール・クルーグマン （著） の覚え書きの記事で取り上げた空間経済学のビジュアル版にも見える。ただしクルーグマンの言う都市集積は、あまり初期条件に依存しないでどのように初めても同じような形状に収束していったけど。

wikipediaによると、このライフゲームでも動きが変化しながらも周期的に同じ形を繰り返す形が発見されている。特に周期が3ステップ以上で複雑な形では以下のものがある。

パルサー	八角形	銀河	ペンタデカストロン

さらに「生きたセルの数が無限に増えつづけるパターンはありうるか」という証明を、開発者のコンウェイ自身が懸賞金を賭けて一般に募集したところ、下のようなグライダー銃などがその一例であることが分かったという。

いずれにしても暇つぶしにもなるし、見ていて飽きないこのゲーム。個人的には少ないブロック数を少しずつ変えていってどう結果が変化するのかを見るのがおもしろい。

そのままスタートするとグライダー銃となります。いったんクリアを押して自分でいろんな形を作りスタートを押すと、それが動き出します。

遊べるライフゲーム。 - jsdo.it - share JavaScript, HTML5 and CSS

切りたい場所のDNAを切れるオーダーメイドのハサミ、gene editing（ジーン・エディティング）

・ある遺伝子を取り除いたり他の生き物の遺伝子を組み込むためにはDNAを切り貼りする酵素が必要です。DNAを切り取るハサミとしてよく使われるのは制限酵素です。でも制限酵素は基本的に回文構造になっているDNA配列の部分しか認識してくれません。回文はたとえば「しんぶんし」や「たけやぶやけた」みたいに前から読んでも後ろから読んでも同じになるような文です。
制限酵素でDNAを切りたいとき、ちょうど切り取りたい場所に回文配列があればいいのですが、実際にはその場所が少なすぎたり多すぎたり、また仕方ないので余分な部分を残したまま切断するしかなかったりします。

ではオーダーメイドのように狙った場所できちんと切断できるものはないのかな、と思ってたらそれがあります。

・「gene editing（ジーン・エディティング）」という方法は、いままでの制限酵素ではなくzincフィンガーヌクレアーゼ（ZFNs）などを使います。このzincフィンガーはいくつかのDNA配列を一組でとして認識してくっつく性質があるので、zincフィンガータンパク質をつなげて狙ったDNA配列だけにくっつくようにすれば、あとはその場所を切断できます。
zincフィンガーヌクレアーゼを使ったジーン・エディティングは2011年の時点でヒトのHIV患者の臨床にも使われています。患者のCD4+ T細胞を取り出して、その細胞に入っているHIV感染の要因を作るCCR5遺伝子を壊し、再びT細胞を患者の体に戻すと6人中5人で免疫機能が上昇したそうです。
しかしzincフィンガータンパク質はちゃんとDNAにくっつくようにするのが難しかったり欠点もあるとのこと。

・そこで新しい酵素としてtalens(transcription activator like effector nucleases)を使う方法が考えられています。この酵素はzincフィンガーと違ってDNAの配列を一ずつ認識でき、酵素同士をつなげた場合でも相互作用が少ない。だから文字どおりオーダーメイドで思った通りの配列を認識できるハサミが作れることになります。ただし現状では酵素を作るのが難しかったりするみたいですが。

・いずれにしても既製品としての制限酵素の役割が、すぐにジーン・エディティングに完全にとって変わられることはないでしょう。いちいちオーダーメイドで酵素を作成するよりは、DNA配列を調べてそれに合う制限酵素を冷凍庫から取り出した方が楽だからです。ですが服と同じようにニッチの要求に応えるためにはオーダーメイドはなくてはならない手段ですから、今後に期待です。

参考ウェブサイト：Targeted gene editing enters clinic

光から見た不確定性原理

ハイゼンベルグの不確定性原理は有名です。自分自身おおざっぱな説明として、運動量と位置の両方を正確に知ることができないという原理だと聞いています。式で書くと「Δx・Δp = 1/2ℏ」となります。
最近ブルーバックスの『高校数学で分かるシュレディンガー方程式』を読んでいたら、不確定性原理の他のやり方での説明がありました。
パルスというものは一瞬だけピッと立ち上がる波で、これが光の波だったりする場合、その時間が短ければ短いほど短い時間を測定することができるようになります。しかしこのパルス、数学的にどのように作るかというといろいろな波長の波を重ね合わせる必要があるらしいのです。波のエネルギーの幅を持ったものであればあるほどパルスの時間は短くなる。
ということは、パルスのような波の時間の短さとエネルギーの幅は相反する関係にあるということになります。
結局エネルギーの幅をΔE、パルスの時間をΔtとすると、上の不確定性原理に似た式「ΔE・Δt ≒ ℏ」のようになるようです。
ほぼ本からの引用ですが、これは光の波長から見た不確定性原理と言えそうですが、こちらの方が理解しやすいように思えます。