JP2006522356A

JP2006522356A - 情報をｄｎａに記憶させる方法

Info

Publication number: JP2006522356A
Application number: JP2006506420A
Authority: JP
Inventors: ラリット・エム・バーラドワイ; アウデシュ・クマール・シュクラ; アミット・ピー・ボンデカール; ラケッシュ・クマール; ラム・プラカシュ・バイパイ
Original assignee: カウンシル・オブ・サイエンティフィック・アンド・インダストリアル・リサーチ
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2006-09-28
Also published as: GB2416232A; WO2004088585A3; GB0521163D0; WO2004088585A8; US20050053968A1; WO2004088585A2

Abstract

DNA塩基により情報を暗号化し、記憶させ、解読するためのソフトウェアおよび一組のスキームを含む、DNAに情報を記憶させるための方法が開発された。本方法が既存の技術よりも有利な主な長所は、完全な拡張ASCII文字セットをアドレス指定し、それによりあらゆる種類のデジタル情報(テキスト、イメージ、オーディオ、その他)の暗号化に対応していることである。先ず、実際に暗号化された情報の両端にあり、ヘッダープライマーおよびテールプライマーとして知られる注意深く設計された配列と共に情報を暗号化する。次に、この暗号化配列を合成して、ヒトまたは他の生物のゲノムDNAの膨大な複合変性DNA鎖と混合する。

Description

本発明は、情報をDNAに記憶させる方法に関する。発明の方法は、情報をDNAに記憶させることを含む。本発明は、テキストファイルであろうが、イメージファイルであろうがまたはオーディオファイルであろうが、全ての種類のデジタル情報の記憶に対処する。大きな配列が複数のセグメントに分断される。

DNAは生物系の増殖および維持のための情報を記憶、処理かつ供給することができるので、DNAはこれまで生成された最高の分子電子装置である。全ての生物種は、生殖の過程で生成した単細胞に由来する。大部分の場合、この単細胞は生物系を作製するために必要な大部分の物質を有しないけれども、生育環境から物質を取り出すことによって生活圏を作るための全ての情報および処理能力を含み、たとえば親の再配列されたDNA配列を含む接合体からの、子供の作製がある。DNAは2nmのナノワイヤを容易に使用でき、4つの塩基、すなわちATGCからなる配列で合成することができる。あらゆる生体系(ミクロ/マクロ)のDNAは多数のDNAセグメントからなり、各セグメントは増殖および生命維持のための特定の生物学的プロセスを実行するプロセッサに相当する。DNAを将来の分子装置のための最良の物質とする、DNAの他の重要な特性は、以下の通りである。生命の基礎単位であるDNAは、10億年分の情報を蓄えることができる。DNAの厖大な情報貯蔵容量は、1グラムのDNAは1,000,000,000,000枚のCD¹と同じ量の情報を含み、0および1の代わりに4つの塩基(A、T、G、C)を使用し、非常にエネルギー効率がよく(10¹⁹の作業/ジュール)、考えられるいかなる配列の合成が可能である、という事実から想像することができ、半導体は限界に近づいている。

Clelland他、1999[2]およびBancroft他、2001[3] [米国特許第6312911号]は、秘密のメッセージを送るための、DNAをベースにしたステガノグラフィー手法を開発した。彼らの主要な目的はステガノグラフィー(情報隠蔽の技術)であったけれども、彼らは秘密メッセージの記憶および伝達装置としてDNAを使った。彼らは、DNA配列にプレーンテキストメッセージを暗号化し、暗号化/解読キーを使ってメッセージを回収した。彼らは3つのDNA塩基を使って単一の英数字を表し、DNAは4つの塩基(A、T、C、G)を有するので、このスキームを使って最大で64(4×4×4)種のASCII文字を形成することができる。しかし、デジタル情報を完全に表すのには、合計256の拡張ASCII文字が要求される。それ故に、Clellandのスキームはデジタル情報に完全に対処するのに用いることはできず、適用範囲が限定されている。
Clelland他、1999 Bancroft他、2001[3] [米国特許第6312911号]

本発明の主な目的は、包括的なDNAベースの情報記憶手法を開発することである。

本発明の他の目的は、最小数のDNA塩基の条件で完全な拡張ASCII文字セットを暗号化することである。

本発明の他の目的は、DNA塩基で暗号化/解読するソフトウェアを開発することである。

本発明の他の目的は、暗号化され合成された情報の両端に隣接する適当なプライマーを設計することである。

本発明は、情報をDNAに記憶させる方法を提供する。発明の方法は、情報をDNAに記憶させることを含む。本発明は、テキストファイルであろうが、イメージファイルであろうがまたはオーディオファイルであろうが、全ての種類のデジタル情報の記憶に対処する。大きな配列が複数のセグメントに分断される。

この方法は、DNA中への情報の記憶を可能にする。他の実施形態において、上記の方法に基づくソフトウェアは、256の拡張ASCII文字全てのDNA塩基配列による定義を可能にする。使われる基礎概念は、各拡張ASCII文字の定義のために最小数の塩基を用いることである。単純順列で、1つの塩基、すなわちA、T、G、Cで4つの配列組み合わせができる。同様に、2つの塩基で4×4=16の異なる配列、3つの塩基で4×4×4=64の異なる配列、4つの塩基で4×4×4×4=256の異なる配列が得られる。したがって、4塩基のセットで完全な拡張ASCIIセットがエンコードされた。「DNASTORE」と名づけられたソフトウェアは、DNA塩基によるデジタル情報の暗号化および解読のためにVisual Basic 6.0で開発された。DNASTOREを用いると、完全な拡張ASCII文字セットを256の異なる手段でエンコードすることができる。

他の実施形態では、我々のスキームにおいてプレーンテキスト/イメージまたはいかなるデジタル情報も暗号化キー(ソフトウェア)を使ってDNA塩基配列で暗号化される。情報が限度を超える場合、すなわち一体として合成することができない場合は、いくつかのセグメントで暗号化され断片化される。暗号化された配列の合成は、DNA合成装置を使って実施される。

他の実施形態では、一定数の異なるDNAプライマー配列が設計され、セグメント位置にちなんだ数が割り当てられ、例えばセグメント1、セグメント2.....セグメントnのようである。これらは、ヘッダープライマーと呼ばれる。2つのテールプライマーも設計され、1つは継続セグメント、他は終止セグメントに類似する。

他の実施形態において、DNAセグメントには既知のPCRプライマー(前記されている)が両端に隣接しており、すなわちヘッダープライマーはセグメントの初めに連結し、テールプライマーはセグメントの終わりに連結する。セグメントが1つだけならば、その開始部位にはヘッダープライマーNo.1が隣接し、終わりには終止テールプライマーが隣接する。しかし複数のセグメントがある場合は、各セグメントにはそれぞれ1、2、3...nと番号づけられたヘッダープライマーが連結し、その終わりには、終止テールプライマーが連結する最後のセグメントを除いて、継続テールプライマーが連結する。

次に、SM DNAをヒトまたは他の生物のゲノムDNAの厖大な複合変性DNA鎖と混合する。ヒトゲノムは約3×10⁹のヌクレオチド対を含んでいるので、断片化変性ヒトDNAは暗号化されたDNAを保存するための非常に複雑なバックグラウンドを提供する。DNAは、紙、布、ボタンその他の上に保存して輸送することができる。

さらに他の実施形態において、両方のプライマー(開始およびテール)の配列を知っている受納者だけが、暗号化されたDNA鎖を単離して増幅するためにPCRを用いてメッセージを抽出することができるようになる。単離され増幅されたDNAは、次に自動DNAシークエンサーを使って配列決定をすることができる。得られたDNA塩基配列は、次に暗号化/解読キー(ソフトウェアキー)を使ってディジタルメッセージに変換することができる。

さらに他の実施形態において、このキーは情報の機密性で安全な伝達、特にスパイおよび軍用目的のために役に立つ。このキーは、窃盗防止、模造防止、製品認証、著作権侵害その他でも有用である。

(実施例１)
DNA塩基によるテキストメッセージ「CSIR」の暗号化および解読は、以下のように規定され得る。
a)256の要素(1文字につき固有の4塩基、すなわちATGC、ATGA、ATGT、ATGG)のアレイの生成。これらの要素は、完全な拡張ASCII文字セットの値を表す。
b)入力情報を、次に、ステップ1で生成したアレイを使って1文字ごとに暗号化する。基本は、各文字のASCII値をステップ1のアレイの要素番号と合致させることである。
DNA塩基によるテキスト「CSIR」の暗号化は、以下の通りであり得る:
TATGTTTCTATTTTAC
式中:
Cは、DNA配列TATGで表され
Sは、DNA配列TTTCで表され
Iは、DNA配列TATTで表され
Rは、DNA配列TTACで表される。
c)情報が限度を超える場合、すなわち、一体として合成することができない、または他の何らかの問題が原因の場合、暗号化された配列はいくつかのセグメントに断片化される。
d)暗号化されたセグメントには、次に、両側にヘッダープライマーおよびテールプライマーが連結される。
e)次に、暗号化された配列の合成を、DNA合成装置を使って実施する。
f)次に、合成されたDNAセグメントを、別々に保存するか、または、ヒトもしくは他の生物のゲノムDNAの厖大な複合変性DNA鎖と混合することができる。ヒトゲノムは約3×10⁹のヌクレオチド対を含んでいるので、断片化変性ヒトDNAは、暗号化されたDNAを保存するための非常に複雑なバックグラウンドを提供する。
g)暗号化されたDNAは、その後、紙、布、ボタンにのせて、またはその他いかなる媒体を介しても輸送することができる。

上記で暗号化されたDNA配列TATGTTTCTATTTTACの単離解読:
a)暗号化DNAの単離および増幅を、各末端に隣接する既知のプライマーを使って、PCR法で行った。
b)回収したSM DNAは、DNAシークエンサーを使って配列決定をする。
c)得られた配列はDNASTOREソフトウェアを使用して解釈する(複数セグメントならば解釈の前に統合する)。回収の基本は、各4塩基の鎖を一度に取り出し、ステップ1の暗号化および記憶で生成したアレイと照合することである。合致する値の要素番号を取り出し、そのASCII同等物に変換する。
回収した配列がTATGTTTCTATTTTACである場合。解読は、以下の通りである:
初めの4塩基、すなわち「TATG」はアレイ記憶および暗号化67=Cとなり
次の4塩基、すなわち「TTTC」はアレイ記憶および暗号化83=Sとなり
次の4塩基、すなわち「TATT」はアレイ記憶および暗号化73=Iとなり
次の4塩基、すなわち「TTAC」はアレイ記憶および暗号化67=Rとなる。
回収した配列での上記解読値を統合したものは「CSIR」である。

(実施例２)
テキストデータのDNA暗号化のいくつかの例

(実施例３)
DNA塩基で暗号化されたJPEGイメージ

実施例2において、1981バイトのファイルサイズを有するインド国旗のJPEGイメージがDNA塩基で暗号化された。完全なイメージを暗号化するために、合計7924個のDNA塩基(4塩基/バイト)が要求される。配列が大きいので、配列をより小さなセグメントへ断片化する必要がある。

［参考文献］

図１ａは、DNAへの情報記憶を示す図である。DNA鎖の単一セグメント情報記憶のプロトタイプ構造。図１ｂは、DNAへの情報記憶を示す図である。DNA鎖の複数のセグメントの情報記憶のプロトタイプ構造。 DNA塩基での拡張ASCII文字セットの暗号化を示す図である。暗号化キーを示す図である。DNA鎖による拡張ASCII文字。暗号化及び記憶のプロセスシートを示す図である。プロセス概要を示す図である。

Claims

拡張ASCII文字セットの各文字を表すために4DNA塩基の固有の配列を使ってDNAに情報を記憶させるための方法であって、
(a)暗号化キーを使って解読することができる暗号化デジタル情報を含み、両側にプライマー配列が連結した合成DNA分子を生成するステップと;
(b)前記DNA分子を、同種DNA/異種DNAの混合物からなる記憶用DNA中に保存するステップとを含む方法。
前記記憶用DNAはゲノムDNAである、請求項1に記載の方法。
前記記憶用DNAはヒトDNAまたは他の生物のDNAである、請求項2に記載の方法。
前記記憶用DNAは合成物である、請求項1に記載の方法。
DNA配列による、256個の拡張ASCII文字全ての定義を可能にするソフトウェアが提供される、請求項1に記載の方法。
最小数の塩基で各拡張ASCII文字を定義する、請求項1に記載の方法。
1個の塩基A、T、G、Cから4種の配列組み合わせができる、請求項1に記載の方法。
2個の塩基で16(4×4)種の異なる配列が得られる、請求項1に記載の方法。
3個の塩基で64(4×4×4)種の異なる配列が得られる、請求項1に記載の方法。
4個の塩基で256(4×4×4×4)種の異なる配列が得られる、請求項1に記載の方法。
プレーンテキスト/イメージまたはいかなるデジタル情報も暗号化キーソフトウェアを使ってDNA配列で暗号化される、請求項1に記載の方法。
情報が暗号化され、該情報が限度を超えて一体として合成することができない場合は、いくつかのセグメントに断片化される、請求項11に記載の方法。
暗号化された配列の合成はDNA合成装置を使って実施される、請求項1に記載の方法。
一定数の異なるDNAプライマー配列に、それが表すセグメント位置にちなんだ数が割り当てられる、請求項1に記載の方法。
2つのテールプライマーも提供され、一方は継続セグメント、他方は終止セグメントに類似する請求項1に記載の方法。
前記DNAセグメントにはPCRプライマーが両端に隣接しており、ヘッダープライマーはセグメントの初めに連結しテールプライマーはセグメントの終わりに連結する、請求項1に記載の方法。
SM DNAが、ヒトまたは他の生物のゲノムDNAの複合変性DNA鎖と混合される、請求項1に記載の方法。
前記両方のプライマー(開始およびテール)の配列を知っている受納者が前記暗号化されたDNA鎖を単離して増幅するためにPCRを用い、次にDNAを単離、増幅して自動DNAシークエンサーにより配列決定し、その後得られたDNA配列を暗号化/解読キーを用いてデジタルメッセージへ変換することによりメッセージを抽出する、請求項1に記載の方法。
暗号化キーを使って解読することができる暗号化DNA配列を含み、両側にPCRプライマー配列が隣接したDNA分子であって、
前記DNA分子の増幅、秘密メッセージDNA配列の決定、および暗号化キーの使用により、前記メッセージが解読されるDNA分子。
前記暗号化の方法は:
a)暗号化キーを使うことによるプレーンテキスト/イメージまたは任意のデジタル情報のDNA配列による暗号化で、先ず完全な拡張ASCII文字セット値を表す256要素(1文字につき固有の4塩基)のアレイを生成するステップと;
b)アレイを用いて各文字のASCII値を前記アレイの要素番号と合致させることにより入力情報を１文字ごとに暗号化するステップと;
c)情報が限度を超えて単一のDNA長で合成することができない場合は、いくつかのセグメントに暗号化された配列を断片化するステップと;
d)前記暗号化されたセグメントの両側にヘッダープライマーおよびテールプライマーを隣接させるステップと;
e)暗号化された配列を、DNA合成装置を使って合成するステップと;
f)前記合成されたDNAセグメントを、ヒトまたは他の生物のゲノムDNAの複合変性DNA鎖と混合するステップと;
g)前記暗号化されたDNAを輸送するステップと;
h)受納者側で暗号化DNAを解読するステップとを含む、請求項1に記載の方法。
前記解読の方法は:
a)PCR法により各末端に隣接する既知のプライマーを使って暗号化DNAの単離および増幅を行うステップと;
b)DNAシークエンサーを使って、回収した暗号化DNAの配列決定をするステップと;
c)必要に応じて複数セグメントを統合した後、予め定められた暗号化キーを使って得られた配列を解釈するステップとを含む、請求項20に記載の方法。