JP4867322B2 - ゲノム情報への情報の埋込装置およびゲノム情報からの情報の抽出装置 - Google Patents
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塩基配列データ上に前記遺伝子GXの近傍に位置する遺伝子GYが記録されている領域を参照領域Yとして設定する参照領域設定手段と、
前記参照領域Yに対して、コドンの出現頻度を算出し、コドン頻度テーブルTYを作成するコドン出現頻度算出手段と、前記コドン頻度テーブルTYを基に、同一アミノ酸を構成する同義コドンのうち、前記参照領域Yにおいて1回も出現しなかった非出現コドンと、出現頻度が最大の最大頻度コドンとを対応付けた同義コドン置換テーブルT1´を作成する同義コドン置換テーブル作成手段と、前記同義コドン置換テーブルT1´に基づいて、埋込後の前記埋込領域X内のコドンを順次探索し、同義コドン置換テーブルT1´に記録された出現コドンが存在する場合は第1のビット値、同義コドン置換テーブルT1´に記録された非出現コドンが存在する場合は第2のビット値を付加情報として抽出する付加情報抽出手段と、前記抽出されたビット値が第1のビット値である場合は、前記埋込後の埋込領域X内に存在した同義コドン置換テーブルT1´上の非出現コドンを同義コドン置換テーブルT1´上の出現コドンに戻す処理を施す同義コドン逆置換手段を有する構成としたゲノム情報からの情報の抽出装置により付加情報を抽出するとともに、原塩基配列データを復元するようにしたことを特徴とする。
塩基配列データ上に前記遺伝子GXの近傍に位置する遺伝子GYが記録されている領域を参照領域Yとして設定する参照領域設定手段と、埋込後の前記埋込領域Xおよび参照領域Yに対して、コドンの出現頻度を算出し、コドン頻度テーブルTX´およびコドン頻度テーブルTYを作成するコドン出現頻度算出手段と、前記コドン頻度テーブルTYを基に、同一アミノ酸または合成終了コードに翻訳される複数の同義コドンのうち、2種の同義コドンを交換対象コドン1および交換対象コドン2として対応付けた同義コドン置換テーブル(T2またはT3)を作成する同義コドン置換テーブル作成手段と、前記同義コドン置換テーブル(T2またはT3)をアミノ酸または合成終了コード単位に順次読み込み、当該アミノ酸または合成終了コードにおけるコドン頻度テーブルTX´とコドン頻度テーブルTYの特徴に顕著な相違がある場合に第1のビット値、そうでない場合に第2のビット値を付加情報として抽出する付加情報抽出手段と、前記抽出されたビット値が第1のビット値である場合は、前記埋込後の埋込領域X内の当該アミノ酸または合成終了コードに対応する交換対象コドン1と交換対象コドン2とを、前記同義コドン置換テーブル(T2またはT3)に従って交換する同義コドン逆置換手段を有する構成としたゲノム情報からの情報の抽出装置により付加情報を抽出するとともに、原塩基配列データを復元するようにしたことを特徴とする。
(本発明の基本概念)
まず、本発明の基本概念について説明する。DNA中の塩基配列は、3塩基(1コドン)単位でアミノ酸に翻訳されるが、この翻訳は、図3に示すようなアミノ酸翻訳規則に従って行われることが知られている。したがって、3つの塩基の配列が定まれば、1つのアミノ酸が定まることになる。例えば、第1塩基から第3塩基がいずれも“T”である“TTT”という塩基配列は、Pheというアミノ酸に変換される。ところが、図3の翻訳規則からわかるように、第1塩基、第2塩基が“T”であって、第3塩基が“C”である“TTC”という塩基配列も、Pheというアミノ酸に変換される。このことは、第3塩基を“T”から“C”に置き換えたとしても、アミノ酸を生成するための情報としては、変わらないことを示している。そこで、埋め込むべきビット値に応じて、塩基の置き換えを行うことにより、情報を埋め込もうというのが本発明の基本概念である。
まず、第1の実施形態について説明する。図1は、本発明第1の実施形態に係るゲノム情報への情報の埋込装置の構成図である。図1において、10は参照領域設定手段、20は埋込領域設定手段、30はコドン出現頻度算出手段、40は同義コドン置換テーブル作成手段、50は付加情報読込手段、60は同義コドン置換手段である。
次に、図1に示した埋込装置の処理動作について説明する。まず、埋込装置が全体塩基配列を読み込んだ後、参照領域設定手段10が、全体塩基配列中のコーディング領域を参照領域Yとして設定するとともに、埋込領域設定手段20が全体塩基配列中のコーディング領域を埋込領域Xとして設定する。参照領域Yにおける塩基配列、埋込領域Xにおける塩基配列がそれぞれ図4(a)(b)に示したようなものであったとして以下説明していくことにする。
次に、第1の実施形態における抽出装置について説明する。図9は、本発明第1の実施形態に係るゲノム情報からの情報の抽出装置の構成図である。図9において、110は参照領域設定手段、120は埋込領域設定手段、130はコドン出現頻度算出手段、140は同義コドン置換テーブル作成手段、150は付加情報抽出手段である。
次に、図9に示した抽出装置の処理動作について説明する。まず、抽出装置が全体塩基配列を読み込んだ後、参照領域設定手段110が、全体塩基配列中のあるコーディング領域を参照領域Yとして設定するとともに、埋込領域設定手段120が全体塩基配列中のあるコーディング領域を埋込領域Xとして設定する。参照領域設定手段110、埋込領域設定手段120は、それぞれ埋込装置の参照領域設定手段10、埋込領域設定手段20と同一の規則に従い、参照領域Y、埋込領域Xを設定するので、埋込装置が設定した参照領域、埋込領域と同一の領域が必ず設定されることになる。したがって、設定した参照領域からは、図4(a)に示した塩基配列、設定した埋込領域Xからは、図8(b)に示した塩基配列が得られることになる。
また、コドン出現頻度算出手段130は、埋込領域Xにおける塩基配列からコドンの出現頻度を算出し、コドン頻度テーブルTX´を作成する。コドン頻度テーブルTX´の作成も、コドン頻度テーブルTYの作成と同様に行われ、埋込後の埋込領域Xにおいて各コドンが何回出現したかが記録される。埋込領域Xについては、埋込前と埋込後で、その配列構成は変化しているため、コドン頻度テーブルTX´は、コドン頻度テーブルTXとは異なったものとなる。
次に、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態においても、装置構成は基本的に第1の実施形態と同様であり、図1に示した構成となっている。第1の実施形態では、参照領域・埋込領域から非出現コドンを調べ、付加情報ビット配列に応じて、頻度最大のコドンを非出現コドンに変換することにより付加情報を埋め込むようにしたが、第2の実施形態では、参照領域・埋込領域から高頻度コドン、低頻度コドンを調べ、付加情報ビット配列に応じて、高頻度コドンと低頻度コドンとを互いに交換することにより付加情報を埋め込むことを特徴としている。したがって、第2の実施形態における各構成要素は、第1の実施形態に示した構成要素とは、その機能が異なっている。
続いて、第2の実施形態における埋込装置の処理動作について説明する。まず、第1の実施形態と同様、埋込装置が全体塩基配列を読み込んだ後、参照領域設定手段10が、全体塩基配列中のコーディング領域を参照領域として設定するとともに、埋込領域設定手段20が全体塩基配列中のコーディング領域を埋込領域として設定する。この結果、第1の実施形態と同様、図4(a)(b)に示したような塩基配列が得られることになる。
次に、第2の実施形態における抽出装置について説明する。第2の実施形態においても、抽出装置の構成は基本的に第1の実施形態と同様であり、図9に示した構成となっている。
次に、第2の実施形態における抽出装置の処理動作について説明する。まず、抽出装置が全体塩基配列を読み込んだ後、参照領域設定手段110が、全体塩基配列中のコーディング領域を参照領域Yとして設定するとともに、埋込領域設定手段120が全体塩基配列中のコーディング領域を埋込領域Xとして設定する。第2の実施形態においても、参照領域設定手段110、埋込領域設定手段120は、それぞれ埋込装置の参照領域設定手段10、埋込領域設定手段20と同一の規則に従い、参照領域、埋込領域を設定するので、埋込装置が設定した参照領域、埋込領域と同一の領域が必ず設定されることになる。したがって、設定した参照領域Yからは、図4(a)に示した塩基配列、設定した埋込領域Xからは、図10(b)に示したように改変された塩基配列が得られることになる。
次に、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態においても、装置構成は基本的に第1、第2の実施形態と同様であり、図1に示した構成となっている。第2の実施形態では、参照領域・埋込領域Xから高頻度コドン、低頻度コドンを調べ、付加情報ビット配列に応じて、高頻度コドンを低頻度コドンに変換することにより付加情報を埋め込むようにしたが、第3の実施形態では、低頻度コドンに代えて、高頻度コドンとのGC含有量の差が大きいコドン(高頻度コドンと頻度が同じでも良い)を調べ、付加情報ビット配列に応じて、高頻度コドンをGC含有量の差が大きいコドンに変換することにより付加情報を埋め込むことを特徴としている。したがって、第3の実施形態における各構成要素は、第1、第2の実施形態に示した構成要素とは、その機能が異なっている。
続いて、第3の実施形態における埋込装置の処理動作について説明する。まず、第1、2の実施形態と同様、埋込装置が全体塩基配列を読み込んだ後、参照領域設定手段10が、全体塩基配列中のコーディング領域を参照領域Yとして設定するとともに、埋込領域設定手段20が全体塩基配列中のコーディング領域を埋込領域Xとして設定する。この結果、第1、2の実施形態と同様、図4(a)(b)に示したような塩基配列が得られることになる。
次に、第3の実施形態における抽出装置について説明する。第3の実施形態においても、抽出装置の構成は基本的に第1、第2の実施形態と同様であり、図9に示した構成となっている。
次に、第3の実施形態における抽出装置の処理動作について説明する。まず、抽出装置が全体塩基配列を読み込んだ後、参照領域設定手段110が、全体塩基配列中のコーディング領域を参照領域Yとして設定するとともに、埋込領域設定手段120が全体塩基配列中のコーディング領域を埋込領域Xとして設定する。第3の実施形態においても、参照領域設定手段110、埋込領域設定手段120は、それぞれ埋込装置の参照領域設定手段10、埋込領域設定手段20と同一の規則に従い、参照領域、埋込領域を設定するので、埋込装置が設定した参照領域、埋込領域と同一の領域が必ず設定されることになる。したがって、設定した参照領域Yからは、図4(a)に示した塩基配列、設定した埋込領域Xからは、図11(a)に示した同義コドン置換テーブルT3を利用して改変された塩基配列が得られることになる。
20・・・埋込領域設定手段
30・・・コドン出現頻度算出手段
40・・・同義コドン置換テーブル作成手段
50・・・付加情報読込手段
60・・・同義コドン置換手段
110・・・参照領域設定手段
120・・・埋込領域設定手段
130・・・コドン出現頻度算出手段
140・・・同義コドン置換テーブル作成手段
150・・・付加情報抽出手段
Claims (8)
- A、T、G、Cの4種の塩基からなる生物のゲノム情報を構成する塩基配列データ上で、遺伝子GXが記録されている埋込領域X内の塩基配列データに対して、当該遺伝子GXを基に翻訳されるタンパク質のアミノ酸配列に改変を加えずに、一部の塩基を改変することにより、改変された塩基配列データより付加情報を抽出するとともに元の塩基配列データが復元可能となるように、付加情報を電子透かしとして埋め込む装置であって、
前記塩基配列データ上に前記遺伝子GXの近傍に位置する遺伝子GYが記録されている領域を参照領域Yとして設定する参照領域設定手段と、
埋込前の前記埋込領域Xおよび前記参照領域Yに対して、コドンの出現頻度を算出し、コドン頻度テーブルTXおよびコドン頻度テーブルTYを作成するコドン出現頻度算出手段と、
前記コドン頻度テーブルTXおよびコドン頻度テーブルTYを基に、同一アミノ酸または合成終了コードを構成する同義コドンのうち、前記埋込前の埋込領域Xおよび参照領域Yにおいて1回も出現しなかった非出現コドンと、出現頻度が最大の最大頻度コドンとを対応付けた同義コドン置換テーブルT1を作成する同義コドン置換テーブル作成手段と、
前記付加情報のビット配列の0と1の発生頻度が均等になるように符号化する付加情報符号化手段と、
前記発生頻度が均等に符号化された付加情報のビット配列のビット値に応じて、前記同義コドン置換テーブルT1を利用し、前記埋込前の埋込領域Xにおける出現コドンを非出現コドンに置換することにより置換対象の出現コドンの半数を非出現コドンに置換する同義コドン置換手段と、
を有することを特徴とするゲノム情報への情報の埋込装置。 - 請求項1において、
前記同義コドン置換テーブル作成手段が、同一アミノ酸または合成終了コードを構成する同義コドンのうち、前記埋込前の埋込領域Xおよび参照領域Yにおいて1回も出現しなかった非出現コドンが複数存在する場合、前記参照領域Yにおいて複数の異なる最大頻度コドンとを各々対応させるように、前記同義コドン置換テーブルT1を作成するものであることを特徴とするゲノム情報への情報の埋込装置。 - A、T、G、Cの4種の塩基からなる生物のゲノム情報を構成する塩基配列データ上で、遺伝子GXが記録されている埋込領域X内の塩基配列データに対して、当該遺伝子GXを基に翻訳されるタンパク質のアミノ配列に改変を加えずに、一部の塩基を改変することにより、改変された塩基配列データより付加情報を抽出するとともに元の塩基配列データが復元可能となるように、付加情報を電子透かしとして埋め込む装置であって、
前記塩基配列データ上に前記遺伝子GXの近傍に位置する遺伝子GYが記録されている領域を参照領域Yとして設定する参照領域設定手段と、
前記参照領域Yに対して、コドンの出現頻度を算出し、コドン頻度テーブルTYを作成するコドン出現頻度算出手段と、
前記コドン頻度テーブルTYを基に、同一アミノ酸または合成終了コードに翻訳される複数の同義コドンのうち、最も頻度の高い最大頻度コドンを交換対象コドン1とし、最も頻度の低い最小頻度コドンを交換対象コドン2として対応付けた同義コドン置換テーブルT 2 を作成する同義コドン置換テーブル作成手段と、
前記付加情報のビット配列のビット値に応じて、前記同義コドン置換テーブルを利用し、アミノ酸または合成終了コード単位に埋込前の前記埋込領域Xにおける全ての交換対象コドン1と交換対象コドン2を互いに交換する同義コドン置換手段と、
を有することを特徴とするゲノム情報への情報の埋込装置。 - A、T、G、Cの4種の塩基からなる生物のゲノム情報を構成する塩基配列データ上で、遺伝子GXが記録されている埋込領域X内の塩基配列データに対して、当該遺伝子GXを基に翻訳されるタンパク質のアミノ配列に改変を加えずに、一部の塩基を改変することにより、改変された塩基配列データより付加情報を抽出するとともに元の塩基配列データが復元可能となるように、付加情報を電子透かしとして埋め込む装置であって、
前記塩基配列データ上に前記遺伝子GXの近傍に位置する遺伝子GYが記録されている領域を参照領域Yとして設定する参照領域設定手段と、
前記参照領域Yに対して、コドンの出現頻度を算出し、コドン頻度テーブルTYを作成するコドン出現頻度算出手段と、
前記コドン頻度テーブルTYを基に、同一アミノ酸または合成終了コードに翻訳される複数の同義コドンのうち、最も頻度の高い最大頻度コドンを交換対象コドン1とし、GC含有量が前記最大頻度コドンに比べて最も差があるコドンを交換対象コドン2として対応付けた同義コドン置換テーブルT 3 を作成する同義コドン置換テーブル作成手段と、
前記付加情報のビット配列のビット値に応じて、前記同義コドン置換テーブルを利用し、アミノ酸または合成終了コード単位に埋込前の前記埋込領域Xにおける全ての交換対象コドン1と交換対象コドン2を互いに交換する同義コドン置換手段と、
を有することを特徴とするゲノム情報への情報の埋込装置。 - A、T、G、Cの4種の塩基からなる生物のゲノム情報を構成する塩基配列データ上で、遺伝子GXが記録されている埋込領域X内の原塩基配列データに対して、あらかじめ一部の塩基を改変することにより付加情報が埋め込まれた前記埋込領域X内の改変塩基配列データより、前記付加情報を抽出するとともに、原塩基配列データを復元する装置であって、
前記塩基配列データ上に前記遺伝子GXの近傍に位置する遺伝子GYが記録されている領域を参照領域Yとして設定する参照領域設定手段と、
前記参照領域Yに対して、コドンの出現頻度を算出し、コドン頻度テーブルTYを作成するコドン出現頻度算出手段と、
前記コドン頻度テーブルTYを基に、同一アミノ酸を構成する同義コドンのうち、前記参照領域Yにおいて1回も出現しなかった非出現コドンと、出現頻度が最大の最大頻度コドンとを対応付けた同義コドン置換テーブルT1´を作成する同義コドン置換テーブル作成手段と、
前記同義コドン置換テーブルT1´に基づいて、埋込後の前記埋込領域X内のコドンを順次探索し、同義コドン置換テーブルT1´に記録された出現コドンが存在する場合は第1のビット値、同義コドン置換テーブルT1´に記録された非出現コドンが存在する場合は第2のビット値を付加情報として抽出する付加情報抽出手段と、
前記抽出されたビット値が第1のビット値である場合は、前記埋込後の埋込領域X内に存在した同義コドン置換テーブルT1´上の非出現コドンを同義コドン置換テーブルT1´上の出現コドンに戻す処理を施す同義コドン逆置換手段と、
を有することを特徴とするゲノム情報からの情報の抽出装置。 - 請求項5において、
前記コドン出現頻度算出手段が前記埋込後の埋込領域Xに対しても、コドンの出現頻度を算出し、コドン頻度テーブルTX´を作成し、前記同義コドン置換テーブル作成手段が、前記同義コドン置換テーブルT1´に登録されている非出現コドンと対応する最大頻度コドンの頻度を参照し、アミノ酸単位に頻度が均等でない場合、当該非出現コドンと対応する最大頻度コドンを前記同義コドン置換テーブルT1´より削除する補正を行なうものであることを特徴とするゲノム情報への情報の埋込装置。 - A、T、G、Cの4種の塩基からなる生物のゲノム情報を構成する塩基配列データ上で、遺伝子GXが記録されている埋込領域X内の原塩基配列データに対して、あらかじめ一部の塩基を改変することにより付加情報が埋め込まれた前記埋込領域X内の改変塩基配列データより、前記付加情報を抽出するとともに、原塩基配列データを復元する装置であって、
前記塩基配列データ上に前記遺伝子GXの近傍に位置する遺伝子GYが記録されている領域を参照領域Yとして設定する参照領域設定手段と、
埋込後の前記埋込領域Xおよび参照領域Yに対して、コドンの出現頻度を算出し、コドン頻度テーブルTX´およびコドン頻度テーブルTYを作成するコドン出現頻度算出手段と、
前記コドン頻度テーブルTYを基に、同一アミノ酸または合成終了コードに翻訳される複数の同義コドンのうち、最も頻度の高い最大頻度コドンを交換対象コドン1とし、最も頻度の低い最小頻度コドンを交換対象コドン2として対応付けた同義コドン置換テーブルT 2 を作成する同義コドン置換テーブル作成手段と、
前記同義コドン置換テーブルをアミノ酸または合成終了コード単位に順次読み込み、当該アミノ酸または合成終了コードの交換対象コドン1と交換対象コドン2の出現頻度の大小関係がコドン頻度テーブルT X ´とコドン頻度テーブルT Y との間で相違している場合に第1のビット値、そうでない場合に第2のビット値を付加情報として抽出する付加情報抽出手段と、
前記抽出されたビット値が第1のビット値である場合は、前記埋込後の埋込領域X内の当該アミノ酸または合成終了コードに対応する交換対象コドン1と交換対象コドン2とを、前記同義コドン置換テーブルに従って交換する同義コドン逆置換手段と、
を有することを特徴とするゲノム情報からの情報の抽出装置。 - A、T、G、Cの4種の塩基からなる生物のゲノム情報を構成する塩基配列データ上で、遺伝子GXが記録されている埋込領域X内の原塩基配列データに対して、あらかじめ一部の塩基を改変することにより付加情報が埋め込まれた前記埋込領域X内の改変塩基配列データより、前記付加情報を抽出するとともに、原塩基配列データを復元する装置であって、
前記塩基配列データ上に前記遺伝子GXの近傍に位置する遺伝子GYが記録されている領域を参照領域Yとして設定する参照領域設定手段と、
埋込後の前記埋込領域Xおよび参照領域Yに対して、コドンの出現頻度を算出し、コドン頻度テーブルTX´およびコドン頻度テーブルTYを作成するコドン出現頻度算出手段と、
前記コドン頻度テーブルTYを基に、同一アミノ酸または合成終了コードに翻訳される複数の同義コドンのうち、最も頻度の高い最大頻度コドンを交換対象コドン1とし、GC含有量が前記最大頻度コドンに比べて最も差があるコドンを交換対象コドン2として対応付けた同義コドン置換テーブルを作成する同義コドン置換テーブル作成手段と、
前記同義コドン置換テーブルをアミノ酸または合成終了コード単位に順次読み込み、当該アミノ酸または合成終了コードに翻訳される全ての同義コドンのGC含有量がコドン頻度テーブルT X ´とコドン頻度テーブルT Y との間で所定値以上の差がある場合に第1のビット値、そうでない場合に第2のビット値を付加情報として抽出する付加情報抽出手段と、
前記抽出されたビット値が第1のビット値である場合は、前記埋込後の埋込領域X内の当該アミノ酸または合成終了コードに対応する交換対象コドン1と交換対象コドン2とを、前記同義コドン置換テーブルに従って交換する同義コドン逆置換手段と、
を有することを特徴とするゲノム情報からの情報の抽出装置。
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