真に乱数発生器はヌクレオチド配列から作られました

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ビデオ: タンパク質合成(転写と翻訳) 2022, 12月
真に乱数発生器はヌクレオチド配列から作られました
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科学者たちは、DNAベースの乱数ジェネレーターを開発しました。彼らはランダムに配置されたヌクレオチドから鎖を合成し、それらを配列決定した後、ランダム性がチェックされた数の配列を取得しました。 NatureCommunicationsに掲載された作品。

乱数ジェネレーターは、データ送信のセキュリティを保証するために、情報の暗号化と復号化に積極的に使用されています。暗号化技術がさらに発展するにつれて、より高度な乱数ジェネレーターが必要になります。現在、根本的に異なる2種類の発電機があります。

1つ目は、ある物理システムからの予測不可能なデータを使用する、真にランダムなシーケンスジェネレーターです。たとえば、ショットノイズ、放射性崩壊、または量子真空ノイズの場合があります。これらのプロセスはすべてランダムであり、真にランダムなシーケンスを生成します。唯一の難しさは、そのようなジェネレーターを実装し、高頻度で乱数を取得することです。

疑似乱数ジェネレーターは、複雑な数学的アルゴリズムに基づいているため、複雑な物理的実装は必要ありません。疑似ランダムシーケンスは、生成のためのすべての入力パラメーターがわかっている場合に最初のシーケンスを計算でき、2番目のシーケンスはどのような条件下でも計算できないという点で真のランダムシーケンスとは異なります。

物理現象に加えて、いくつかの化学反応もランダム性を決定することができます。チューリッヒのスイス高等工科専門学校のRobertN。Grassが率いる科学者のグループは、乱数のソースとしてDNA鎖合成の反応を使用することを提案しました。

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ランダムDNAの合成段階

著者らは、ランダム配列とその両側のプライマーからなるDNA鎖を調べました。ランダム配列の部分は64で構成され、鎖全体に105ヌクレオチドが含まれていました。実験では、2つの異なるメーカーの204マイクログラムの乾燥DNAの3つのバッチを使用しました。科学者はヌクレオチドの配列を読み取り、プライマーの部分が特定の部分と一致しない鎖を破棄し、のランダムな部分で発生した傾向を明らかにしました。シーケンス。

すべてのサンプルで、グアニンとチミンの割合がアデニンとシトシンの含有量よりも高いことが判明しました。さらに、アデニンとシトシンの濃度がランダムな鎖全体に沿って一定である場合、グアニンの量は減少し、チミンは5 'から3'の方向に増加します。最初の特徴は、異なるビルディングブロックの濃度が同じマイクロリットル内で異なる可能性があるという事実に関連している可能性があります。それにもかかわらず、3つの異なるバッチで同じ傾向が見られることは、その原因が異なるヌクレオチドの結合効率の違いにあることを示している可能性が最も高いです。

鎖の方向の2番目のタイプの不均一性は、チミンによるグアニンの変換(置換)に関連している可能性があります。事実、合成培地に長期間存在していたグアニンは、より多くの酸化段階を経ており、DNA複製中にチミンに置き換えることができます。

ランダムシーケンス内に依存関係が存在すると、ランダム性が低下するため、傾向を回避または排除しようとします。科学者たちは、合成プロセスを妨害しようとすると、シーケンスが不安定になり、さらに予測できない結果が生じる可能性があるため、シーケンスの後処理ですでに不要な依存関係を取り除くことにしました。

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フォンノイマンアルゴリズムを使用したデータ処理と、フォンノイマンアルゴリズム(ターコイズ、赤い曲線)の後の数値のセット全体(濃い青)にわたる合計値の分布のグラフ-実際のガウス分布

ランダムシーケンスの品質をチェックするために、バイナリシーケンスに対する15の統計的検定のセットが使用されます。したがって、著者は、読み取り文字列がバイナリコード(アデニンとシトシン-0、グアニンとチミン-1)をエンコードするという規則を確立しました。彼らは読んだ直後にシーケンスをテストしましたが、すべてのテストが成功したわけではありません。

結果として得られるシーケンスの欠如は、DNA合成中に発生した依存関係に関連しているため、科学者はフォンノイマンアルゴリズムを使用して生のシーケンスを処理しました。最初の値のみがシーケンス10または01から取得され、2番目の値のみが破棄されてシーケンスが破棄されました。 00と11は完全に破棄されました。最終的な数値のセットは大幅に短縮されましたが、15のランダム性テストすべてに合格し、優れた確率分布を示しました。

乱数発生器の物理的基盤であるDNAは、情報を長期間保存でき、サイズが小さいため、輸送に便利です。著者らは、このような実装を使用して、毎秒225ギガビットを超える速度で乱数を取得できる可能性を示しています。合成と読み取りのコストを削減するための研究はまだ進行中ですが、乱数発生器としてのDNAの使用は今日可能です。

さまざまな角度からの物理学者が、真に乱数ジェネレーターの作成に取り組んでいます。この方向で最も自然な方法の1つは、それ自体に不確実性がある量子プロセスの使用です。たとえば、ロシアの物理学者は、光電子増倍管原子による光子の吸収に基づいて乱数発生器を構築し、75メガビット/秒を超える生成速度を取得しました。

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