Reconstruction Codes for DNA Sequences with Uniform Tandem-Duplication Errors

DNA as a data storage medium has several advantages, including far greater data density compared to electronic media. We propose that schemes for data storage in the DNA of living organisms may benefit from studying the reconstruction problem, which is applicable whenever multiple reads of noisy data are available. This strategy is uniquely suited to the medium, which inherently replicates stored data in multiple distinct ways, caused by mutations. We consider noise introduced solely by uniform tandem-duplication, and utilize the relation to constant-weight integer codes in the Manhattan metric. By bounding the intersection of the cross-polytope with hyperplanes, we prove the existence of reconstruction codes with greater capacity than known error-correcting codes, which we can determine analytically for any set of parameters.Comment: 11 pages, 2 figures, Latex; version accepted for publicatio

Large-girth roots of graphs

We study the problem of recognizing graph powers and computing roots of graphs. We provide a polynomial time recognition algorithm for r-th powers of graphs of girth at least 2r+3, thus improving a bound conjectured by Farzad et al. (STACS 2009). Our algorithm also finds all r-th roots of a given graph that have girth at least 2r+3 and no degree one vertices, which is a step towards a recent conjecture of Levenshtein that such root should be unique. On the negative side, we prove that recognition becomes an NP-complete problem when the bound on girth is about twice smaller. Similar results have so far only been attempted for r=2,3.Comment: 14 pages, 4 figure

On location, domination and information retrieval

The thesis is divided into two main branches: identifying and locatingdominating codes, and information retrieval. The former topics are motivated by the aim to locate objects in sensor networks (or other similar applications) and the latter one by the need to retrieve information in memories such as DNA data storage systems. Albeit the underlying applications, the study on these topics mainly belongs to discrete mathematics; more specically, to the elds of coding and graph theory. The sensor networks are usually represented by graphs where vertices represent the monitored locations and edges the connections between the locations. Moreover, the locations of the sensors are determined by a code. Furthermore, the desired properties of the sensor network are deeply linked with the properties of the underlying code. The number of errors in reading the data is abundant in the DNA data storage systems. In particular, there can occur more errors than a reasonable error-correcting code can handle. However, this problem is somewhat oset by the possibility to obtain multiple approximations of the same information from the data storage. Hence, the information retrieval process can be modelled by the Levenshtein's channel model, where a message is sent through multiple noisy channels and multiple outputs are received. In the rst two papers of the thesis, we introduce and study the new concepts of self- and solid-locating-dominating codes as a natural analogy to self-identifying codes with respect to locating-dominating codes. The rst paper introduces these new codes and considers them in some graphs such as the Hamming graphs. Then, in the second paper, we broaden our view on the topic by considering graph theoretical questions. We give optimal codes in multiple dierent graph classes and some more general results using concepts such as the Dilworth number and graph complements. The third paper focuses on the q-ary Hamming spaces. In particular, we disprove a conjecture proposed by Goddard and Wash related to identifying codes. In the fourth paper, we return to self- and solid-locating-dominating codes and give optimal codes in some graph classes and consider their densities in innite graphs. In the fth paper, we consider information retrieval in memories; in particular, the Levenshtein's channel model. In the channel model, we transmit some codeword belonging to the binary Hamming space through multiple identical channels. With the help of multiple dierent outputs, we give a list of codewords which may have been sent. In the paper, we study the number of channels required to have a rather small (constant) list size when the properties of the channels, the code and the dimension of the Hamming space are xed. In particular, we give an exact relation between the number of channels and the asymptotic value of the maximum list size.Väitöskirja käsittelee kahta aihetta: identioivia ja paikantavia peittokoodeja sekä tiedon noutamista muistista. Ensimmäisen aiheen motivaationa on objektien paikantaminen sensoriverkoista (sekä muut samankaltaiset sovellukset) ja jälkimmäisen tiedonnouto DNA-muisteista. Näiden aiheiden tutkimus kuuluu diskreettiin matematiikkaan, täsmällisemmin koodaus- ja graa-teoriaan. Sensoriverkkoja kuvataan yleensä graafeilla, joissa solmut esittävät tarkkailtuja kohteita ja viivat yhteyksiä näiden kohteiden välillä. Edelleen sensorien paikat määräytyvät annetun koodin perusteella. Tästä johtuen sensoriverkon halutut ominaisuudet pohjautuvat vahvasti alla olevaan koodiin. Luettaessa tietoa DNA-muisteista tapahtuvien virheiden määrä saattaa olla erittäin suuri; erityisesti suurempi kuin kiinnitetyn virheitä korjaavan koodin korjauskyky. Toisaalta tilanne ei ole aivan näin ongelmallinen, sillä DNA-muisteista voidaan saada useita eri arvioita muistiin tallennetusta tiedosta. Näistä syistä johtuen tietojen noutamista DNA-muisteista voidaan mallintaa käyttäen Levenshteinin kanavamallia. Kanavamallissa yksi viesti lähetetään useiden häiriöisten kanavien kautta ja näin vastaanotetaan useita viestejä (yksi jokaisesta kanavasta). Väitöskirjan kahdessa ensimmäisessä julkaisussa esitellään ja tutkitaan uusia paikantavien peittokoodien luokkia, jotka pohjautuvat aiemmin tutkittuihin itse-identioiviin koodeihin. Ensimmäisessä julkaisussa on esitelty nämä koodiluokat sekä tutkittu niitä joissain graafeissa kuten Hammingin graafeissa. Tämän jälkeen toisessa julkaisussa käsitellään yleisiä graa-teoreettisia kysymyksiä. Julkaisussa esitetään optimaaliset koodit useille graaperheille sekä joitain yleisempiä tuloksia käyttäen mm. Dilworthin lukua sekä graakomplementteja. Kolmas julkaisu keskittyy q-arisiin Hammingin avaruuksiin. Erityisesti julkaisussa todistetaan vääräksi Goddardin ja Washin aiemmin esittämä identioivia koodeja koskeva otaksuma. Neljäs artikkeli käsittelee jo kahdessa ensimmäisessä artikkelissa esiteltyjä paikantavien peittokoodien luokkia. Artikkeli esittää optimaalisia koodeja useille graaperheille sekä käsittelee äärettömiä graafeja. Viides artikkeli käsittelee tiedonnoutoa ja erityisesti Levenshteinin kanavamallia. Kanavamallissa binääriseen Hammingin avaruuteen kuuluva koodisana lähetetään useiden identtisten kanavien läpi. Näistä kanavista vastaanotetaan useita eri arvioita lähetetystä koodisanasta ja rakennetaan lista mahdollisesti lähetetyistä sanoista. Artikkelissa tutkitaan kuinka monta kanavaa tarvitaan, jotta tämän listan koko on pieni (vakio), kun kanavien ominaisuudet, koodi ja Hammingin avaruuden dimensio on kiinnitetty. Erityisesti löydetään täsmällinen suhde kanavien lukumäärän ja asymptoottisesti maksimaalisen listan koon välille