Modelos de compressão e ferramentas para dados ómicos

The ever-increasing growth of the development of high-throughput sequencing technologies and as a consequence, generation of a huge volume of data, has revolutionized biological research and discovery. Motivated by that, we investigate in this thesis the methods which are capable of providing an efficient representation of omics data in compressed or encrypted manner, and then, we employ them to analyze omics data. First and foremost, we describe a number of measures for the purpose of quantifying information in and between omics sequences. Then, we present finite-context models (FCMs), substitution-tolerant Markov models (STMMs) and a combination of the two, which are specialized in modeling biological data, in order for data compression and analysis. To ease the storage of the aforementioned data deluge, we design two lossless data compressors for genomic and one for proteomic data. The methods work on the basis of (a) a combination of FCMs and STMMs or (b) the mentioned combination along with repeat models and a competitive prediction model. Tested on various synthetic and real data showed their outperformance over the previously proposed methods in terms of compression ratio. Privacy of genomic data is a topic that has been recently focused by developments in the field of personalized medicine. We propose a tool that is able to represent genomic data in a securely encrypted fashion, and at the same time, is able to compact FASTA and FASTQ sequences by a factor of three. It employs AES encryption accompanied by a shuffling mechanism for improving the data security. The results show it is faster than general-purpose and special-purpose algorithms. Compression techniques can be employed for analysis of omics data. Having this in mind, we investigate the identification of unique regions in a species with respect to close species, that can give us an insight into evolutionary traits. For this purpose, we design two alignment-free tools that can accurately find and visualize distinct regions among two collections of DNA or protein sequences. Tested on modern humans with respect to Neanderthals, we found a number of absent regions in Neanderthals that may express new functionalities associated with evolution of modern humans. Finally, we investigate the identification of genomic rearrangements, that have important roles in genetic disorders and cancer, by employing a compression technique. For this purpose, we design a tool that is able to accurately localize and visualize small- and large-scale rearrangements between two genomic sequences. The results of applying the proposed tool on several synthetic and real data conformed to the results partially reported by wet laboratory approaches, e.g., FISH analysis.O crescente crescimento do desenvolvimento de tecnologias de sequenciamento de alto rendimento e, como consequência, a geração de um enorme volume de dados, revolucionou a pesquisa e descoberta biológica. Motivados por isso, nesta tese investigamos os métodos que fornecem uma representação eficiente de dados ómicros de maneira compactada ou criptografada e, posteriormente, os usamos para análise. Em primeiro lugar, descrevemos uma série de medidas com o objetivo de quantificar informação em e entre sequencias ómicas. Em seguida, apresentamos modelos de contexto finito (FCMs), modelos de Markov tolerantes a substituição (STMMs) e uma combinação dos dois, especializados na modelagem de dados biológicos, para compactação e análise de dados. Para facilitar o armazenamento do dilúvio de dados acima mencionado, desenvolvemos dois compressores de dados sem perda para dados genómicos e um para dados proteómicos. Os métodos funcionam com base em (a) uma combinação de FCMs e STMMs ou (b) na combinação mencionada, juntamente com modelos de repetição e um modelo de previsão competitiva. Testados em vários dados sintéticos e reais mostraram a sua eficiência sobre os métodos do estado-de-arte em termos de taxa de compressão. A privacidade dos dados genómicos é um tópico recentemente focado nos desenvolvimentos do campo da medicina personalizada. Propomos uma ferramenta capaz de representar dados genómicos de maneira criptografada com segurança e, ao mesmo tempo, compactando as sequencias FASTA e FASTQ para um fator de três. Emprega criptografia AES acompanhada de um mecanismo de embaralhamento para melhorar a segurança dos dados. Os resultados mostram que ´e mais rápido que os algoritmos de uso geral e específico. As técnicas de compressão podem ser exploradas para análise de dados ómicos. Tendo isso em mente, investigamos a identificação de regiões únicas em uma espécie em relação a espécies próximas, que nos podem dar uma visão das características evolutivas. Para esse fim, desenvolvemos duas ferramentas livres de alinhamento que podem encontrar e visualizar com precisão regiões distintas entre duas coleções de sequências de DNA ou proteínas. Testados em humanos modernos em relação a neandertais, encontrámos várias regiões ausentes nos neandertais que podem expressar novas funcionalidades associadas à evolução dos humanos modernos. Por último, investigamos a identificação de rearranjos genómicos, que têm papéis importantes em desordens genéticas e cancro, empregando uma técnica de compressão. Para esse fim, desenvolvemos uma ferramenta capaz de localizar e visualizar com precisão os rearranjos em pequena e grande escala entre duas sequências genómicas. Os resultados da aplicação da ferramenta proposta, em vários dados sintéticos e reais, estão em conformidade com os resultados parcialmente relatados por abordagens laboratoriais, por exemplo, análise FISH.Programa Doutoral em Engenharia Informátic

07021 Abstracts Collection -- Symmetric Cryptography

From .. to .., the Dagstuhl Seminar 07021 ``Symmetric Cryptography\u27\u27 automatically was held in the International Conference and Research Center (IBFI), Schloss Dagstuhl. During the seminar, several participants presented their current research, and ongoing work and open problems were discussed. Abstracts of the presentations given during the seminar as well as abstracts of seminar results and ideas are put together in this paper. The first section describes the seminar topics and goals in general. Links to extended abstracts or full papers are provided, if available

MOIM: a novel design of cryptographic hash function

A hash function usually has two main components: a compression function or permutation function and mode of operation. In this paper, we propose a new concrete novel design of a permutation based hash functions called MOIM. MOIM is based on concatenating two parallel fast wide pipe constructions as a mode of operation designed by Nandi and Paul, and presented at Indocrypt 2010 where the size of the internal state is significantly larger than the size of the output. And the permutations functions used in MOIM are inspired from the SHA-3 finalist Grøstl hash function which is originally inspired from Rijndael design (AES). As a consequence there is a very strong confusion and diffusion in MOIM. Also, we show that MOIM resists all the generic attacks and Joux attack in two defense security levels

Plan Verification in a Programmer's Apprentice

This report describes research done at the Artificial Intelligence Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology. Support for the Laboratory's artificial intelligence research is provided in part by the Advanced Research Projects Agency of the Department of Defense under the Office of Naval Research contract N00014-75-C-0643.Brief Statement of the Problem: An interactive programming environment called the Programmer's Apprentice is described. Intended for use by the expert programmer in the process of program design and maintenance, the apprentice will be capable of understanding, explaining and reasoning about the behavior of real-world LISP programs with side effects on complex data-structures. We view programs as engineered devices whose analysis must be carried out at many level of abstraction. This leads to a set of logical dependencies between modules which explains how and why modules interact to achieve an overall intention. Such a network of dependencies is a teleological structure which we call a plan; the process of elucidating such a plan stucture and showing that it is coherent and that it achieves its overall intended behavior we call plan verification. This approach to program verification is sharply contrasted with the traditional Floyd-Hoare systems which overly restrict themselves to surface features of the programming language. More similar in philosophy is the evolving methodology of languages like CLU or ALPHARD which stress conceptual layering.MIT Artificial Intelligence Laboratory Department of Defense Advanced Research Projects Agenc

Compressão e análise de dados genómicos

Doutoramento em InformáticaGenomic sequences are large codi ed messages describing most of the structure of all known living organisms. Since the presentation of the rst genomic sequence, a huge amount of genomics data have been generated, with diversi ed characteristics, rendering the data deluge phenomenon a serious problem in most genomics centers. As such, most of the data are discarded (when possible), while other are compressed using general purpose algorithms, often attaining modest data reduction results. Several speci c algorithms have been proposed for the compression of genomic data, but unfortunately only a few of them have been made available as usable and reliable compression tools. From those, most have been developed to some speci c purpose. In this thesis, we propose a compressor for genomic sequences of multiple natures, able to function in a reference or reference-free mode. Besides, it is very exible and can cope with diverse hardware speci cations. It uses a mixture of nite-context models (FCMs) and eXtended FCMs. The results show improvements over state-of-the-art compressors. Since the compressor can be seen as a unsupervised alignment-free method to estimate algorithmic complexity of genomic sequences, it is the ideal candidate to perform analysis of and between sequences. Accordingly, we de ne a way to approximate directly the Normalized Information Distance, aiming to identify evolutionary similarities in intra- and inter-species. Moreover, we introduce a new concept, the Normalized Relative Compression, that is able to quantify and infer new characteristics of the data, previously undetected by other methods. We also investigate local measures, being able to locate speci c events, using complexity pro les. Furthermore, we present and explore a method based on complexity pro les to detect and visualize genomic rearrangements between sequences, identifying several insights of the genomic evolution of humans. Finally, we introduce the concept of relative uniqueness and apply it to the Ebolavirus, identifying three regions that appear in all the virus sequences outbreak but nowhere in the human genome. In fact, we show that these sequences are su cient to classify di erent sub-species. Also, we identify regions in human chromosomes that are absent from close primates DNA, specifying novel traits in human uniqueness.As sequências genómicas podem ser vistas como grandes mensagens codificadas, descrevendo a maior parte da estrutura de todos os organismos vivos. Desde a apresentação da primeira sequência, um enorme número de dados genómicos tem sido gerado, com diversas características, originando um sério problema de excesso de dados nos principais centros de genómica. Por esta razão, a maioria dos dados é descartada (quando possível), enquanto outros são comprimidos usando algoritmos genéricos, quase sempre obtendo resultados de compressão modestos. Têm também sido propostos alguns algoritmos de compressão para sequências genómicas, mas infelizmente apenas alguns estão disponíveis como ferramentas eficientes e prontas para utilização. Destes, a maioria tem sido utilizada para propósitos específicos. Nesta tese, propomos um compressor para sequências genómicas de natureza múltipla, capaz de funcionar em modo referencial ou sem referência. Além disso, é bastante flexível e pode lidar com diversas especificações de hardware. O compressor usa uma mistura de modelos de contexto-finito (FCMs) e FCMs estendidos. Os resultados mostram melhorias relativamente a compressores estado-dearte. Uma vez que o compressor pode ser visto como um método não supervisionado, que não utiliza alinhamentos para estimar a complexidade algortímica das sequências genómicas, ele é o candidato ideal para realizar análise de e entre sequências. Em conformidade, definimos uma maneira de aproximar directamente a distância de informação normalizada (NID), visando a identificação evolucionária de similaridades em intra e interespécies. Além disso, introduzimos um novo conceito, a compressão relativa normalizada (NRC), que é capaz de quantificar e inferir novas características nos dados, anteriormente indetectados por outros métodos. Investigamos também medidas locais, localizando eventos específicos, usando perfis de complexidade. Propomos e exploramos um novo método baseado em perfis de complexidade para detectar e visualizar rearranjos genómicos entre sequências, identificando algumas características da evolução genómica humana. Por último, introduzimos um novo conceito de singularidade relativa e aplicamo-lo ao Ebolavirus, identificando três regiões presentes em todas as sequências do surto viral, mas ausentes do genoma humano. De facto, mostramos que as três sequências são suficientes para classificar diferentes sub-espécies. Também identificamos regiões nos cromossomas humanos que estão ausentes do ADN de primatas próximos, especificando novas características da singularidade humana

An analyzing process on wireless protection criteria focusing on (WPA) within computer network security

Network security from a long ago approaches to cryptography and hash functions which are tremendous and due to the weakness of different vulnerabilities in the networks and obviously there is a significant need for analyzes. In this manuscript, the state-of-the-art wireless environment is focused solely on the sensor technology, in which security needs to be integrated with the Wireless Protected Access (WPA) standards. Wireless networking includes numerous points of view from wireless sensor systems, ad hoc mobile devices, Wi-Max and many more. The authentication and dynamic encryption is modified by system managers so that general communication can be anchored without any sniper effort in order to perform higher degrees of security and overall execution. The key exchange mechanism in wireless systems such as forward cases is accompanied by the sophisticated cryptography so as to anchor the whole computer state. The manuscript carries out a significant audit of test points of view using the methodologies used for the cryptography angle for protection and honesty in the wireless case, stressing Wi-Fi Secure Protected (WPA) needs