[論文レビュー] Coinami: A Cryptocurrency with DNA Sequence Alignment as Proof-of-work

Atalay Mert İleri, Halil Ibrahim Ozercan+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2016

Genomics and Phylogenetic Studies参考文献 25被引用数 7

ひとこと要約

Coinamiは、ボランティアコンピューティングを活用したBOINCに類似したグリッドを介して、遺伝子データ解析を分散化する高スループットシーケンシング（HTS）リードマッピングをプルーフ・オブ・ワークとして使用する暗号通貨システムを提唱する。ネイティブトークンによるインcentiveを活用することで、データの機密性と結果の整合性を確保するとともに、ゲノム解析における計算のボトルネックを解消する。

ABSTRACT

Rate of growth of the amount of data generated using the high throughput sequencing (HTS) platforms now exceeds the growth stipulated by Moore's Law. The HTS data is expected to surpass those of other "big data" domains such as astronomy, before the year 2025. In addition to sequencing genomes for research purposes, genome and exome sequencing in clinical settings will be a routine part of health care. The analysis of such large amounts of data, however, is not without computational challenges. This burden is even more increased due to the periodic updates to reference genomes, which typically require re-analysis of existing data. Here we propose Coin-Application Mediator Interface (Coinami) to distribute the workload for mapping reads to reference genomes using a volunteer grid computer approach similar to Berkeley Open Infrastructure for Network Computing (BOINC). However, since HTS read mapping requires substantial computational resources and fast analysis turnout is desired, Coinami uses the HTS read mapping as proof-of-work to generate valid blocks to main its own cryptocurrency system, which may help motivate volunteers to dedicate more resources. The Coinami protocol includes mechanisms to ensure that jobs performed by volunteers are correct, and provides genomic data privacy. The prototype implementation of Coinami is available at http://coinami.github.io/.

研究の動機と目的

• 高スループットシーケンシング（HTS）データ解析における計算のボトルネックがモアアの法則の成長を上回っていることに対処する。
• ボランティアが空きリソースを提供するのを促すために、暗号通貨インcentiveメカニズムを統合したHTSリードマッピングを実施する。
• 分散型でボランティアベースのグリッドコンピューティング環境において、遺伝子データの機密性を保ち、悪意ある送信を防止する。
• 更新されたリファレンスゲノムに既存のHTSデータを再マッピングするためのスケーラブルで信頼最小限のフレームワークを提供する。
• ブロックチェーン技術とバイオインフォマティクスワークロードを統合し、持続可能でコミュニティ主導のゲノム解析インfraを構築する実現可能性を示す。

提案手法

• クライアントがHTSデータをダウンロードし、リードアラインメントを実行し、結果をアップロードするBOINCに類似したボランティアグリッドコンピューティングモデルを採用する。
• HTSリードマッピングをプルーフ・オブ・ワークとして使用する：マイナーレベルでアラインメントタスクを解決することでCoinamiトークンを獲得し、計算努力とトークン発行を一致させる。
• 三段階の権威モデルを実装する：ルート権威（例：NCBI や EBI）が中間レベルの権威を認証し、それらがジョブを発行・検証する。
• 暗号技術を導入して結果の正しさを保証し、Sybil攻撃やゴミデータ送信攻撃を防止する。
• 生データの露出を回避することで遺伝子データの機密性を保護する。処理済みのアラインメント結果のみを共有し、送信中はデータを暗号化する。
• 正当な作業に基づいて報酬が分配されるトークン経済モデルを設計する。不正行為を防止し、公平性を保証するメカニズムを備える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HTSリードマッピングは、ボランティアコンピューティングを促す暗号通貨システムにおけるプルーフ・オブ・ワークメカニズムとして効果的に使用可能か？
• RQ2 分散型でボランティアベースのゲノムコンピューティングフレームワークにおいて、遺伝子データの機密性をどのように保証できるか？
• RQ3 信頼できないボランティアノードがアラインメントタスクを実行する環境で、正しさを保証し、悪意ある行動を防止するためのアーキテクチャモデルは何か？
• RQ4 ブロックチェーンインセンティブの統合は、計算的に集中的なゲノムワークロードにおける長期的参加を促すのに十分か？
• RQ5 更新されたリファレンスゲノムに既存のHTSデータを定期的に再マッピングできるスケーラブルで信頼最小限のシステムを構築可能か？

主な発見

• Coinamiは、HTSアラインメントをプルーフ・オブ・ワークとして使用するプロトタイプシステムを成功裏に実装し、バイオインフォマティクスワークロードを暗号通貨モデルに統合する実現可能性を示した。
• 生配列データの露出を回避し、安全で検証可能な結果送信プロトコルを用いることで、データの機密性を確保した。
• 三段階の権威モデル（ルート、中間レベル、マイナー）により、個々のボランティアに完全な信頼を置かずに、信頼の委譲と結果検証が可能になった。
• 暗号的検証によりアラインメント結果の正しさを保証し、誤った作業が報酬対象とならないようにした。
• ネイティブ暗号通貨を用いたボランティアコンピューティングのインcentiveが、ゲノム解析における「解析不足」の問題を緩和する可能性を示した。
• プロトタイプは http://coinami.github.io/ で公開されており、今後の学術的および臨床的ゲノム解析環境への展開の基盤を提供している。