2021 Fiscal Year Research-status Report
Discrete mathematical approach for suitable coding scheme on DNA strorage
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19K11833
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
眞田 亜紀子 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (20631138)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
太田 隆博 専修大学, ネットワーク情報学部, 准教授 (60579001)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | DNAストレージ / 制約符号 / データ圧縮 / 部分系列の頻度 / 禁止語 / グラフ理論 / バランス制約 / 連長制約 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，近年注目を集めているDNAストレージの信頼性やコスト削減を目指すべく，制約符号とデータ圧縮の観点から理論的解析を行うことである．これまでは，主にDNAストレージの信頼性を担保するための「GCバランス制約（グアニンとシトシンの割合をDNA鎖全体の半分にする）」や「連長制約（それぞれの塩基の連の長さをある値以下にする）」に着目し，制約を満たす系列数に関する解析と符号化方式の提案を行ってきた．
2021年度はコスト削減の観点からデータ圧縮に関する解析に注力した．具体的には「データ系列を復元する際に必要な系列の長さをどれだけ短くできるか？」という観点から，部分系列とその頻度（データ系列に出現する回数）及び禁止語（データ系列に現れない系列）を頂点としたグラフを生成した．その条件下で，頂点に訪れるごとにその頂点の頻度を１減らすという操作を行いながら，全ての頂点の頻度が0になるよう一筆書きが一意に可能かどうか考察した（一筆書きが一意に可能であれば，元のデータを一意に復元できることになる）．また，本結果を用いることで既存の結果よりも短い系列長から復元できる例を提示し，有効性を確かめた．現在は一筆書きが一意に可能なための十分条件を提示しているが，今後は必要十分条件にまで拡張することを目標としている．
また，IEICE総合大会においてこれまでの結果をまとめた発表を行った．次世代ストレージにどのように制約符号が関連しているかについて，これまでの制約符号の結果をわかりやすく述べると同時にDNAストレージにどのように応用されるのか，またその上で解決すべき問題点は何かについて説明した．多くの例を用いることで，制約符号に携わったことがない方々に向けてもわかりやすく，かつ興味を持っていただけるように説明できたと自負している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでは連長制約の観点から述べた結果が主であったが，データ圧縮の観点から新たな知見が得られたことは研究の視野を広げる良い機会になった．またその結果を拡張することで，より短い系列長を用いたデータ圧縮が可能になれば，DNAストレージにおけるコスト削減に大きく貢献できると考える．本結果は久しぶり現地開催の学会で発表することができ，聴講者から直接コメント等頂けたことも結果拡張に向けてのアイディアにつながった．更に，総合大会で発表する機会を頂けたことは，これまで積み上げてきた結果をまとめて大々的に発信することにもつながった． 以上から，コンスタントに結果を発信し，また結果を拡張する道筋を明確にしており順調に研究を遂行していると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
コロナの影響で国際会議の現地発表等はまだ難しい状況ではあるが，オンライン発表等を用いて発表の機会を確保することを怠らない．また共同研究者や指導している学生とのディスカッションをより積極的に行うことで，これまでの結果を今一度見つめ直して学術論文にまとめるだけでなく，今後の明確な指針についても逐一情報共有を行う．
その中でも現在着目するのが「制約符号と誤り訂正符号」の融合である．制約符号は通信路における誤り耐性を高める効果はあるものの，実際に誤りが起こったときの検知・訂正は基本考えていない．よって二種類の符号の融合を考えていくことは更なる信頼性向上につながると考える．
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響でオンラインで会議を行ったりディスカッションを行なったため，海外渡航費や出張費として考えていた予算を使用しなかったことが大きな原因である．今後は徐々に現地開催や対面でのディスカッションも増えてくると考えるため，機会があれば積極的に参加し直接議論することで新たな知見を得られるのではないかと期待する．
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