[논문]클라우드 컴퓨팅 환경에서 PCR Primer 검색 시스템 설계 및 개발

박준호; 임종태; 김동주; 이윤정; 류은경; 안민제; 차재홍; 유석종; 유재수

클라우드 컴퓨팅 환경에서 PCR Primer 검색 시스템 설계 및 개발
Design and Implementation of a PCR Primer Search System on Cloud Computing Environments 원문보기

박준호 (충북대학교 정보통신공학부) , 임종태 (충북대학교 정보통신공학부) , 김동주 (충북대학교 정보통신공학부) , 이윤정 (충북대학교 정보통신공학부) , 류은경 (충북대학교 정보통신공학부) , 안민제 (충북대학교 정보통신공학부) , 차재홍 (충북대학교 정보통신공학부) , 유석종 (한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨팅본부) , 유재수 (충북대학교 정보통신공학부)

유전자 증폭을 위한 정확한 PCR Primer의 디자인은 핵심적인 기반 기술이다. 기존 연구를 통해 각 유전자별 특이적인 PCR Primer를 디자인할 수 있는 도구가 제안되었으나, 유전체 정보를 활용한 대단위의 디자인작업을 수행하기에는 적합하지 않았다. 본 논문에서는 클라우드 컴퓨팅 환경에서 대규모의 유전체를 대상으로 특이적인 PCR Primer를 디자인하고 검색할 수 있는 시스템을 설계하고 구현한다. 제안하는 시스템은 Hadoop 플랫폼에서의 MapReduce 프레임워크를 기반으로 설계 및 구현하여 유전자 서열검색을 대규모로 수행할 수 있도록 하였다. 5만개의 질의를 이용한 성능 평가 결과, 제안하는 기법은 기존 BLAST를 이용한 검색방법에 비해 약 3배의 성능 향상을 보였다.

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문제 정의

본 논문에서는 클라우드 분산 데이터 처리 환경에서 Multiplex PCR Primer 설계에 대한 응용 시스템을 설계 및 개발하였다. 제안하는 시스템은 Map 과정을 통해 유전체 정보와 Primer 서열 정보를 특정 길이의 Seed 정보로 색인하였으며, Reduce과정을 통해 각 Primer가 유전체에 결합할 수 있는 위치를 효율적으로 검색 할 수 있도록 하여 처리 시간을 향상시켰다.

제안 방법

그림 1은 제안하는 시스템의 PCR Primer 분석 및 설계 과정을 나타낸다. MapReduce를 활용한 세부적인 분석 기능을 구현하기 위해, 먼저 유전체와 PCR primer 서열 정보는 정해진 길이의 코딩 과정을 거쳐 클라우드 환경의 데이터 저장소(HDFS)에 저장한다. PCR Primer 설계를 위하여 Primer길이, 결합온도, GC%을 고려하여 각 유전자 별 Primer 셋을 생성한다.
다음으로 Reduce과정에서는 유전체의 Seed와 PCR Primer의 Seed가 동일한 자료를 찾아 이를 5’쪽방향으로 확장하면서 서열 간의 일치도를 검색한다(그림1). 검색된 내용 중에 서열 간에 차이가 없는 내용을 기준으로 설계된 PCR Primer가 1개 이상의 유전체에 결합하는 것으로 판명되면 특이성이 없는 것으로 판단하여 최종적으로는 유전체 중에 1개의 위치에만 결합할 수 있는 PCR Primer 셋만을 출력하도록 설계 및 구현하였다.
다음으로 Reduce과정에서는 유전체의 Seed와 PCR Primer의 Seed가 동일한 자료를 찾아 이를 5’쪽방향으로 확장하면서 서열 간의 일치도를 검색한다(그림1).
제안하는 시스템의 우수성을 보이기 위해 BLAST 기반의 PCR Primer 설계 시스템과의 성능을 비교 평가하였다. 본 성능 평가는 표 1과 같은 평가 환경을 구축하여 실험을 진행하였다.
하지만 BLAST는 다수의 PCR Primer의 특이성을 검색하기에는 검색시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 고려하여, 본 연구에서는 PCR Primer 디자인방법을 이용하여 Primer 셋을 생성한 후, 클라우드 컴퓨팅 환경에서 유전자 간의 유사성을 검색할 수 있는 PCR Primer 검색시스템을 설계하고 개발하였다. 제안하는 시스템에서는 Hadoop 클라우드 환경에서 MapReduce 프레임워크를 기반으로 PCR Primer 검색 기능을 설계하였다.
이를 통해, 설계 된 다수의 Primer 셋을 동시에 검색하여 Primer 디자인 수행 시간을 단축하며, PCR 과정에서 Primer 결합의 특이성을 이용한 3’결합 특성을 이용한 검색을 수행하도록 하였다.
이러한 문제점을 고려하여, 본 연구에서는 PCR Primer 디자인방법을 이용하여 Primer 셋을 생성한 후, 클라우드 컴퓨팅 환경에서 유전자 간의 유사성을 검색할 수 있는 PCR Primer 검색시스템을 설계하고 개발하였다. 제안하는 시스템에서는 Hadoop 클라우드 환경에서 MapReduce 프레임워크를 기반으로 PCR Primer 검색 기능을 설계하였다. 이를 통해, 설계 된 다수의 Primer 셋을 동시에 검색하여 Primer 디자인 수행 시간을 단축하며, PCR 과정에서 Primer 결합의 특이성을 이용한 3’결합 특성을 이용한 검색을 수행하도록 하였다.
본 논문에서는 클라우드 분산 데이터 처리 환경에서 Multiplex PCR Primer 설계에 대한 응용 시스템을 설계 및 개발하였다. 제안하는 시스템은 Map 과정을 통해 유전체 정보와 Primer 서열 정보를 특정 길이의 Seed 정보로 색인하였으며, Reduce과정을 통해 각 Primer가 유전체에 결합할 수 있는 위치를 효율적으로 검색 할 수 있도록 하여 처리 시간을 향상시켰다. 이를 통해, Multiplex PCR Primer 셋을 성공적으로 설계하는 것이 가능하다.
본 연구에서는 기존 BLAST 기반 분석의 한계를 극복하기 위해, Hadoop 플랫폼과 MapReduce 프레임워크를 유전자에 대한 PCR Primer 설계에 활용한다. 특히, Primer 서열의 특이성을 검증하기 위해, Map과정은 Seed생성, Reduce과정은 동일한 Seed에 대한 나머지 서열의 유사성 검증과정으로 설계하였다.

데이터처리

제안하는 시스템의 우수성을 보이기 위해 BLAST 기반의 PCR Primer 설계 시스템과의 성능을 비교 평가하였다. 본 성능 평가는 표 1과 같은 평가 환경을 구축하여 실험을 진행하였다.

이론/모형

이를 활용하면, 분산 시스템을 기반으로 하는 효율적인 분석이 가능하므로 대규모 데이터에 대한 빠른 처리가 가능하다. 본 연구에서는 기존 BLAST 기반 분석의 한계를 극복하기 위해, Hadoop 플랫폼과 MapReduce 프레임워크를 유전자에 대한 PCR Primer 설계에 활용한다. 특히, Primer 서열의 특이성을 검증하기 위해, Map과정은 Seed생성, Reduce과정은 동일한 Seed에 대한 나머지 서열의 유사성 검증과정으로 설계하였다.

성능/효과

그림 2는 제안하는 시스템과 기존 시스템에서의 인간 유전자에 대한 PCR Primer 설계 수행 시간을 나타낸다. 5만개의 유전자에 대한 PCR Primer 셋 설계를 실험한 결과, 제안하는 시스템은 기존 BLAST 기반의 시스템에 비해 수행 시간이 평균 3배 향상되었다. BLAST의 경우 다수의 PCR Primer 질의의 수가 순차적으로 검색되는 반면, MapReduce 기반으로 수행할 경우 다수의 질의가 동시에 처리되는 효과로 인해 검색 속도가 향상된다.

후속연구

BLAST의 경우 다수의 PCR Primer 질의의 수가 순차적으로 검색되는 반면, MapReduce 기반으로 수행할 경우 다수의 질의가 동시에 처리되는 효과로 인해 검색 속도가 향상된다. 이는 최소의 클러스터(2노드)를 구성하여 평가를 진행한 결과로서, 향후 노드 수를 증가시킬수록 더 빠른 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 특히, 대규모의 유전자에 대한 설계를 수행할 경우 더욱 큰 성능 향상을 보일 것으로 예상된다.
향후 제안하는 시스템은 SNP DNA Microarray 설계 등의 다양한 분야에 활용하여 생물학 분야의 연구를 더욱 가속화 할 수 있을 것으로 기대한다. 향후 연구로는 더욱 다양한 환경에서의 성능 평가를 통해 제안하는 시스템의 효용성을 입증하는 것이다.
이를 통해, Multiplex PCR Primer 셋을 성공적으로 설계하는 것이 가능하다. 향후 제안하는 시스템은 SNP DNA Microarray 설계 등의 다양한 분야에 활용하여 생물학 분야의 연구를 더욱 가속화 할 수 있을 것으로 기대한다. 향후 연구로는 더욱 다양한 환경에서의 성능 평가를 통해 제안하는 시스템의 효용성을 입증하는 것이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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