<h1>요 약</h1><p>대용량의 DNA 정보 저장, DNA 서열 저작권 보호를 위한 DNA 워터마킹, 및 비밀 통신을 위한 DNA 스테가노그라픽에 대한 관심이 증대되면서, 원본 DNA 서열의 기능 유지와 복원이 가능한 가역성 DNA 워터마킹이 필요하다. 본 논문에서는 비부호영역 DNA 서열을 이용한 DE(Difference expansion) 기반 가역 DNA 워터마킹 기법을 제안한다. 가역 DNA 워터마킹에서는생물학적 기능 변경이 없고, 문자 형태의 서열 내에 대용량의 데이터를 은닉하여야 하며, 원본 DNA 서열이 복원되어야 한다. 제안한 방법에서는 문자 서열을 십진수 형태의 수치계수로 변환한 다음, 인접 수치 계수 쌍의 DE 기반 다중비트 은닉 방법(DE-MBE, DE based multiple bits embedding)과 이전 은닉 수치계수를 예측으로 한 연속 DE 기반 다중비트 은닉 방법들(C-DE-MBE, consecutive DE based multiple bits embedding)에 의하여 워터마크가 은닉된다. 은닉 과정에서는 워터마크된 서열에 의하여 부호영역을 나타내는 허위 시작코돈 발생을 방지하기 위하여 비교 탐색을 수행한다. 실험 결과로부터 제안한방법이 기존 방법에 비하여 높은 은닉 용량을 가지며, 허위 시작코돈이 발생되지 않으며, 기준 서열없이 원본 DNA 서열이 복원됨을 확인하였다.</p><h1>Ⅰ. 서 론</h1><p>DNA 컴퓨팅 기술과 더불어 비유전적인 정보를 DNA 분자 매개물 내에 은닉하는 하는 기술로, 비밀 메시지 전송을 위한 DNA 스테가노그라픽, 장기간 대용량(Long-term Large-scale)의 유전체 메모리인 DNA저장(DNA storage)은이 제시되고 있다. 특히 변이에 강인한 DNA 워터마킹은 Heider 등이 제시한 DNA-Crypt 알고리즘 기반 이후 지금까지 연구되어지고 있다. DNA 워터마크는 GMO(genetically modifiedorganisms)의 비인가 사용을 식별하거나 야생형 게놈(wild type genome)과 인공 게놈(artificially designedgenome)를 구분하거나, 은닉된 태그의 PCR 증폭과 시퀀싱에 의한 추적과 에이전트, 고립(isolate), 변형(strain)을 식별하는 방법을 제공한다.</p><p>대부분의 DNA 스테가노그라픽, DNA 저장 및 DNA워터마킹 기법들은 워터마크된 또는 정보은닉된 DNA 서열로부터 원본 DNA 서열이 복원되지 않는 비가역성에 해당된다. 특히 멀티미디어 데이터와는 달리 DNA 서열들은 워터마크에 의하여 변이된 DNA 서열로부터 원본 DNA 서열이 복원이 되어야 하며, 생물학적 기능의 변경이 없어야 한다. 이를 해결하기 위하여 일부 연구자들에 의하여 가역 DNA 워터마킹에 대한 연구가 이루어져 왔다. 기존의 가역 DNA 워터마킹 방법들을 살펴보면, Chen 등은 비부호 DNA 서열의 네 문자열을 십진수로 변환한 후, 무손실 압축 및 DE(DifferenceExpansion) 기반 방법을 적용하였다. Huang 등은 낮은 염기 변화율을 위하여 최고 및 최저 히스토그램 값들의 쉬프팅을 이용한 방법을 적용하였으나, 매우 낮은용량을 가진다. Shiu 등은 상보쌍 염기 치환 기반 데이터 은닉으로 워터마크 추출 및 복원시 참조되는 원본서열이 필요하다. 기존 방법들은 원본 서열 길이를 유지하나, 허위 개시코돈 방지를 고려하지 않고, 비블라인드이거나, 매우 낮은 용량을 가진다. 부호 DNA 서열의 개시를 나타내는 ‘ATG’의 메티오닌(Methionine) 개시코돈(start codon)에 의하여 리보솜에서 단백질 번역이 시작된다. 비부호 DNA 서열이 워터마크에 의하여 개시코돈으로 변경될 경우, 단백질로 잘못 번역된다. 따라서 비부호 DNA 워터마킹에서는 허위 개시코돈(false startcodon)이 발생되지 않도록 하여야 한다.</p><p>본 논문에서는 원본 서열 길이를 유지하면서 허위 개시코돈 방지, 블라인드 추출 및 복원, 및 높은 은닉 용량을 가지는 DE 기반 비부호 DNA 서열의 가역 DNA 워터마킹 방법을 제안한다. DE 이론은 Tian 등의 가역 영상 워터마킹에서 처음 제안된 후, 은닉 용량 제어및 향상을 위하여 PE(Prediction error expansion) 기반워터마킹 방법이 제안되어져 왔다. 영상의 인접 화소간의 높은 상관성과는 달리, DNA 서열 상에 인접한 염기서열 간의 상관성이 높지 않다. 또한 영상 화질과는 달리, 비부호 DNA 서열은 허위 개시코돈, 단백질 변경과 같은 생물학적 기능 변경이 조건에서 자유로이 변경이 가능하다. 따라서 제안한 방법에서는 DE 이론 기반으로 최대 확장 조건을 만족하는 다중비트를 은닉한다.</p><p>먼저 비부호 DNA 서열의 (A,T,G,C) 4-변수(quaternary) 문자열은 비트의 십진수 수치계수로 변환된 다음, DE 이론 기반으로 DNA 수치계수에 적용할수 있는 DE-MBE(DE based Multiple Bit Embedding)과 CDE-MBE(Consecutive DE-MBE) 방법으로 다중비트를 은닉한다. DE-MBE 방법은 DE 이론에 따라인접 수치계수 쌍의 차분 확장에 은닉할 수 있는 최대한의 다중 비트를 은닉한다. CDE-MBE 방법은 이전 은닉된 수치계수와 현재 수치계수 쌍의 차분 확장에 다중 비트를 은닉하는 것으로, DE-MBE보다 용량성을 확장하기 위한 것이다. 은닉 용량에 대한 비교 실험에서 제안한 DE-MBE 방법과 CDE-MBE 방법은 평균 \( 0.109 \mathrm{bpn} \)과 \( 0.026 \mathrm{bpn} \)이며, Chen 방법과 Huang 방법은 평균 0.109bpn과 0.026bpn으로 나타났다. 따라서 제안한 CDE-MBE 방법이 다른 방법에 비하여 은닉 용량이 제일 높음을 확인하였다.</p><p>본 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저 Ⅱ장에서는 가역 DNA 정보은닉 이론과 기존 가역 DNA 정보은닉 방법에 대하여 살펴본다. Ⅲ장에서는 제안한 염기서열 수치화, 허위 개시코돈 방지에 대하여 살펴본 후,DE-MBE방법과 CDE-MBE 방법에 대하여 자세히 살펴본다. Ⅳ장에서는 제안한 방법과 기존 방법과의 비교실험 분석 한 후, 마지막 Ⅴ장에서 본 논문의 결론을 맺는다.</p>
은닉 용량에 대한 비교 실험에서 제안한 Chen 방법과 Huang 방법은 평균 \( 0.109 \mathrm{bpn} \)과 \( 0.206 \mathrm{bpn} \)으로 나타났는 데 DE-MBE 방법과 CDE-MBE 방법은 평균 몇 bpn으로 나왔나요?
평균 \( 0.109 \mathrm{bpn} \)과 \( 0.026 \mathrm{bpn} \)