这个问题在生物信息学中经常出现。上面被接受的答案(顺便说一下,它很棒)在生物信息学中被称为Needleman-Wunsch(比较两个字符串)和Smith-Waterman(在更长的字符串中找到一个近似的子字符串)算法。它们工作得很好,几十年来一直是主力。
但是如果你有一百万个字符串要比较呢?这是一万亿对的比较,每一个都是O(n*m)!现代DNA测序仪很容易生成10亿个短DNA序列,每个序列大约有200个DNA“字母”长。通常,我们希望为每个这样的字符串找到与人类基因组(30亿个字母)的最佳匹配。显然,Needleman-Wunsch算法及其相关算法是不行的。
这个所谓的“对齐问题”是一个活跃的研究领域。目前最流行的算法能够在合理的硬件(比如8个核和32 GB RAM)上在几个小时内找到10亿个短字符串和人类基因组之间的不精确匹配。
大多数算法的工作原理是快速找到短的精确匹配(种子),然后使用较慢的算法(例如Smith-Waterman)将这些匹配扩展到完整的字符串。这样做的原因是我们真的只对一些接近的比赛感兴趣,所以去掉99.9是值得的…%没有共同之处的配对。
查找精确匹配如何帮助查找不精确匹配?假设我们只允许查询和目标之间有一个差异。很容易看出,这种差异必须出现在查询的右半部分或左半部分,因此另一半必须完全匹配。这种想法可以扩展到多重错配,并且是Illumina DNA测序仪常用的ELAND算法的基础。
There are many very good algorithms for doing exact string matching. Given a query string of length 200, and a target string of length 3 billion (the human genome), we want to find any place in the target where there is a substring of length k that matches a substring of the query exactly. A simple approach is to begin by indexing the target: take all k-long substrings, put them in an array and sort them. Then take each k-long substring of the query and search the sorted index. Sort and search can be done in O(log n) time.
但储存可能是个问题。一个包含30亿个字母目标的索引需要容纳30亿个指针和30亿个k长度的单词。这似乎很难装进小于几十gb的RAM中。但令人惊讶的是,我们可以使用Burrows-Wheeler变换极大地压缩索引,而且它仍然是有效的可查询的。人类基因组的一个索引可以放入不到4 GB的RAM中。这个想法是流行的序列对齐器(如Bowtie和BWA)的基础。
或者,我们可以使用后缀数组,它只存储指针,但表示目标字符串中所有后缀的同时索引(本质上,所有可能的k值的同时索引;Burrows-Wheeler变换也是如此)。如果我们使用32位指针,人类基因组的后缀数组索引将占用12gb RAM。
上面的链接包含了大量的信息和主要研究论文的链接。ELAND链接指向一个PDF,其中有一些有用的图表说明了所涉及的概念,并展示了如何处理插入和删除。
最后,虽然这些算法已经基本解决了(重新)对单个人类基因组(10亿个短字符串)测序的问题,但DNA测序技术的进步甚至比摩尔定律还要快,我们正在快速接近万亿字母的数据集。例如,目前正在进行的项目是对10,000种脊椎动物的基因组进行测序,每个基因组大约有10亿个字母长。自然,我们会想要对数据进行成对的不精确字符串匹配…