CN103114127A

CN103114127A - 一种基于dna芯片的密码系统

Info

Publication number: CN103114127A
Application number: CN2011103640152A
Authority: CN
Inventors: 曾纪晴; 张明永
Original assignee: South China Botanical Garden of CAS
Current assignee: South China Botanical Garden of CAS
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2031-11-16
Also published as: CN103114127B

Abstract

本发明提供一种基于DNA芯片的密码系统。该密码系统所述的DNA芯片，其DNA是随机序列G(i，j)。寡核苷酸探针S(i，j)是从DNA芯片各点阵对应的随机DNA序列G(i，j)随机截取的一小段DNA序列(该序列需用BLAST确定其在DNA芯片中的唯一性)，以其反向互补序列进行人工合成的寡核苷酸片段。信息加密就是在DNA芯片点阵分布图M上标注不同的G(i，j)以表示明文信息，然后选取与G(i，j)对应的寡核苷酸探针S(i，j)进行混合；信息解密就是用这些寡核苷酸探针S(i，j)与随机序列DNA芯片进行杂交。加密同一明文信息可以有大量不同的S(i，j)探针混合物组合，且可任意掺入任何未标记的DNA。由于S(i，j)探针由随机DNA序列组成，其混合物的DNA序列中不编码任何与明文信息有关的信息，因此本密码系统为不可破译的密码系统。

Description

一种基于DNA芯片的密码系统

技术领域

本发明属于信息安全领域，特别是涉及一种基于DNA芯片密码系统。

背景技术

DNA芯片技术是指在固相支持物上原位合成寡核苷酸(称为DNA chip)或者直接将大量的DNA探针以显微打印的方式(称为DNA microarray)有序地固化于支持物表面，然后与标记的样品杂交，通过对杂交信号的检测分析，即可获得样品的遗传信息。由于常用计算机硅芯片作为固相支持物，所以称为DNA芯片。芯片上固定的探针除了DNA，也可以是cDNA、寡核苷酸或来自基因组的基因片段，且这些探针固化于芯片上形成基因探针阵列。因此，DNA芯片又被称为基因芯片、cDNA芯片、寡核苷酸阵列和生物芯片等。DNA芯片被广泛应用于大通量的基因表达分析，对疾病的基因诊断、生物的基因组学研究具有重大的作用。

由于DNA芯片的高度集成性，随着DNA应用于密码学领域研究的不断深入，DNA芯片也开始应用于密码学领域。2000年，Gehani等采用XOR方案设计了一个一次一密的DNA密码系统，利用DNA芯片实现了图像的加密。国内的卢明欣等人也设计了基于DNA芯片对称或非对称密码系统。但是，他们的方法存在最明显的缺点是缺乏可操作性或操作成本太高。比如，每一条消息加密或解密过程都必须制作一个DNA芯片，成本巨大，信息传递效率极低。他们的方法也难以解决芯片杂交过程中一些假阳性的干扰问题，使得解密容易出现错误。因此，这些DNA密码系统方案仅仅是一种设想，还远远没有进入实用阶段。

为了解决目前DNA芯片应用于密码学领域的这些问题，使得DNA芯片能在密码学领域广泛应用，本发明提出了一个切实可行的、低成本及高效率的基于DNA芯片的加密和解密方法。

发明内容

本发明的目的是要建立一种可广泛应用和推广的低成本、高效率、保密性强的DNA芯片密码系统方法。

为了达到本发明的目的，采取如下步骤和方法：

(1)首先，制作随机序列DNA芯片：随机产生大量(几千几万，甚至几百万上千万)1-2kb的DNA序列(GC含量控制在40-60％)，命名为G(i，j)，采取DNA合成仪自动合成，然后以显微打印的方式有序化地固定在表面支持物上或者在固相支持物上原位合成的方式制作DNA芯片。

(2)根据DNA芯片上各随机序列DNA片段的排列位置，得到一个随机序列DNA片段2维分布表M。

(3)制作随机序列DNA寡核苷酸探针，并用不同颜色的荧光染料进行标记：DNA芯片上每个随机序列DNA大约1-2kb长，随机选取15个核苷酸左右的DNA序列，以其反向互补序列进行DNA合成并标记荧光染料，每个DNA芯片上的DNA可制作大量的寡核苷酸探针，成为随机序列DNA寡核苷酸探针序列(S(i，j))。为了确保寡核苷酸探针对于随机序列DNA片段的杂交唯一性，可使用BLAST程序对所选取的寡核苷酸序列进行全面比对检索，确保在整个DNA芯片上的DNA序列中它是唯一的，且与其它序列的同源性低于50％。

(4)信息的加密方法：信息发送方可在DNA芯片的随机序列DNA二维分布表M上选取代表芯片点阵的随机序列DNA，也即在M平面上“书写”任何所要传递的秘密信息，“笔触”所到之处，也就自动选取了DNA芯片上的G(i，j)。然后，从每个选取的G(i，j)中随机抽取寡核苷酸探针S(i，j)，混合之后就成了密文。混合物可以是粉末，也可以是溶液，可通过任何载体，比如塑料离心管、纸张等进行传送。

(5)解密方法：收到寡核苷酸探针混合物之后，按照特定的杂交条件进行芯片杂交，通过检测S(i，j)探针与G(i，j)杂交后的荧光位置和强度，就可以很直观地看见明文信息。

本发明具有如下显著的特点：

1，最显著的特点是非常直观。明文信息直接在DNA芯片的基因二维分布表M上进行“书写”。也即在DNA芯片上挑取组成明文信息的“点”。解密后明文信息可以通过芯片杂交后，检测荧光信号直接显示出来。在DNA芯片的基因二维分布表M上“书写”的信息，可以是自然语言，也可以是编码信息，还可以是图案信息等。

2，DNA芯片制作一劳永逸，再不必一个消息制作一块DNA芯片。寡核苷酸探针也可以一次制作完成，不必加密每个消息都要重新制作。因为不同的消息均可以使用同一块DNA芯片，而加密不同的消息时，只需要在DNA芯片的基因二维分布表M上选取不同的G(i，j)，然后随机挑取S(i，j)混合即可。也就是说，不同的S(i，j)组合就可以得到不同信息的密文。

3，如果采取显微打印的方式制作DNA阵列芯片，重新制作芯片也非常方便，只需要将DNA排列的位置进行彻底重排就行了，不必重新合成DNA。因此，为了DNA芯片的安全，可以经常性地更换新的芯片。另外，更换新的DNA芯片之后，寡核苷酸探针也不必重新合成，只是要求注意G(i，j)与S(i，j)必须保持对应关系。

4，寡核苷酸探针S(i，j)混合物中也可以混入其它未标记的DNA，不影响杂交效果，从而大大加大密码破译难度。

5，传递信息明确，不受杂交假阳性和假阴性的影响。由于在二维分布图M上进行信息“书写”时，可以选取多个的G(i，j)代表某个信息，因此，杂交结果中由个别假阳性或假阴性结果并不影响整体信息的认读。

6，此外，按照本发明的方法，可以直接利用目前现有的DNA芯片进行信息的加密和解密。本发明所述的DNA芯片，虽然可以是由随机序列DNA制作而成，但是现有的任何DNA芯片也可以直接采用。需要另行制作的只是寡核苷酸探针S(i，j)。这就为DNA芯片密码系统的广泛应用提供了条件。因为只需在市场中购买特定的DNA芯片，然后合成特定荧光标记的寡核苷酸探针，就可以用来加密和解密秘密消息了。由于市面上各类DNA芯片种类繁多，攻击者必须尝试大量的DNA芯片才可能得到正确的解密所需DNA芯片。这无疑会增加攻击者的成本。

7，或者可利用现有的商业化cDNA克隆来制作DNA芯片，省却合成随机DNA序列的成本。由于商业化的cDNA克隆来源广泛，种类繁多，用于制作DNA芯片，其在芯片上的排列组合位置和方式无穷无尽，因此攻击者除非获得芯片，否则无法揭开芯片上DNA的序列以及各DNA的排列方式。

8，本发明可广泛应用于密码领域的各个方面，包括秘密信息的传递、签名以及防伪等。

附图说明：

图1：DNA芯片点阵分布图M。标注任意一个点(i，j)，对应于一个随机DNA序列G(i，j)。

图2：密匙制作以及信息加密和解密的流程和方法

具体实施方式

实施例1随机序列DNA芯片的制作

首先，获得随机DNA序列。可通过随机序列发生器产生由0和1数字组成的随机序列，然后按“00＝A，01＝T，10＝G，11＝C”转换为由“ATGC”组成的随机DNA序列。

然后，对上述产生随机DNA序列进行筛选。GC含量大于60％以及小于40％的DNA序列以及A、T、G、C相同字母或者AT以及GC连续重复8个以上的DNA序列均被排除。

第三，将上述得到的长约1-2kb的DNA序列送DNA合成仪人工合成DNA片段。

第四，制作一个DNA芯片点阵分布图M，用Excel文件格式编制每个点阵对应的DNA序列片段名称及序列(G(i，j))。

最后，通过DNA芯片制作系统，将上述随机序列DNA片段显微打印在玻璃片上，这样随机序列DNA芯片就制作完成了。

实施例2制作随机序列DNA寡核苷酸探针

首先，对于每个随机DNA序列G(i，j)，随机截取其中15bp长的一段DNA序列S(i，j)，用BLAST程序对所有随机序列DNA芯片上的DNA序列G(i，j)检索比对，若发现该选取的S(i，j)是唯一具有100％同源性，且与其它序列同源低于40％，则该S(i，j)就可用于合成DNA寡核苷酸探针。每个G(i，j)可以选取多个S(i，j)用于合成多份寡核苷酸探针。

第二，选取的随机DNA序列片段S(i，j)以其反向互补序列用DNA合成仪进行DNA合成，每份S(i，j)分别用不同的荧光染料进行标记，比如用Cy3或Cy5标记。

第三，合成的寡核苷酸探针以PAGE方式纯化，以粉末形式保存于离心管中。合成量可根据需要调整。如合成5OD，可以按每管1OD进行分装。每个寡核苷酸探针需标记好荧光染料的种类以及所对应的随机DNA序列G(i，j)。

合成好的寡核苷酸探针可在-20℃下长期保存。使用时，按所需浓度用ddH₂O或TE缓冲液进行稀释。

实施例3信息加密方法

首先，明文信息的处理。根据通讯双方的约定，明文信息可进行各种变换，比如转换为二进制形式、Braille代码或Morse代码形式等。也可以不进行变换。

然后，将上述处理的明文信息以2维点阵的形式在DNA芯片点阵分布图M上标注出来。其过程类似于在DNA芯片点阵分布图M上进行“书写”，将上述明文信息“写”在DNA芯片点阵分布图M上。

第三，上述被选择和标注的点阵对应于相应的随机DNA序列G(i，j)。根据其被标注的颜色以及对应的G(i，j)，从合成的寡核苷酸探针库中取出对应寡核苷酸探针S(i，j)。由于每个G(i，j)对应于多份寡核苷酸探针S(i，j)，可任意取其一份或多份进行混合。

第四，上述混合物(液体)可干燥后装入离心管进行携带。也可将混合物滴在滤纸上，用铅笔圈上印迹，很快干燥后即可携带。

上述混合物也可添加任何其它未标记的DNA溶液，这些DNA可以是人工合成的DNA片段，也可以是任何自然界天然的DNA。

实施例4信息解密的方法

首先，如果携带的DNA核苷酸探针在离心管中，可直接加入一定量的ddH₂O或TE缓冲液进行溶解。如果是通过滤纸携带的DNA核苷酸探针，可剪下标注DNA印迹的圆纸片，放入离心管中，滴入一定量的ddH₂O或TE缓冲液，然后在离心机中离心，吸取DNA溶液。

然后，按照基因芯片杂交实验程序进行杂交实验。

第三，杂交实验完成之后，用基因芯片扫描仪进行扫描。

第四，如果明文未经转换处理，通过基因芯片扫描仪得到的图像，可直接阅读。也可通过图像处理软件，获得明文信息。如果明文信息进行了变换处理，则可能获得的图像信息用软件处理之后，得到明文信息。

实施例5防伪应用

步骤一：制作一个随机序列DNA芯片

步骤二：制作随机序列DNA寡核苷酸探针(所选探针需用BLAST检验其与对应的随机序列DNA的唯一性)

步骤三：设计商标防伪图案或者其它防伪信息

步骤四：在随机序列DNA芯片点阵图上选择对应的点阵组成防伪图案或防伪信息

步骤五：挑选组成防伪图案或防伪信息的点阵所对应的寡核苷酸探针，混合。为了增强破解难度，混合物中添加其它未标记的寡核苷酸或DNA片段。为了增强稳定性，混合物以粉末形式保存。混合物可在-20℃下长期保存。防伪图案或防伪信息可以对应于每件单个商品，这就保证每个商品的防伪具有唯一性，完全不可仿冒。

步骤六：检验商品的真伪，只需将随商品附带的防伪DNA粉末送至指定检测机构，进行DNA芯片杂交，扫描检测即可。

Claims

1.一种基于DNA芯片的密码系统，其特征在于按如下步骤和方法进行：

(2)根据DNA芯片上G(i，j)的排列位置，得到一个随机序列DNA片段2维分布图或矩阵M。

(3)制作随机序列DNA寡核苷酸探针，并用不同颜色的荧光染料进行标记：DNA芯片上每个随机序列DNA大约1-2kb长，随机选取15个核苷酸左右的DNA序列，以其反向互补序列进行DNA合成并标记荧光染料，每个DNA芯片上的DNA可制作大量的寡核苷酸探针，成为随机序列DNA寡核苷酸探针序列S(i，j)。为了确保寡核苷酸探针对于随机序列DNA片段的杂交唯一性，可使用BLAST程序对所选取的寡核苷酸序列进行全面比对检索，确保在整个DNA芯片上的DNA序列中它是唯一的，且与其它序列的同源性低于50％。

(4)信息加密方法：明文信息(可以根据约定进行变换)以2维点阵的形式在DNA芯片点阵分布图M上标注出来，这些被选择和标注的点阵对应于相应的随机DNA序列G(i，j)。根据其被标注的颜色以及对应的G(i，j)，从合成的寡核苷酸探针库中取出对应寡核苷酸探针S(i，j)。由于每个G·(i，j)对应于多份寡核苷酸探针S(i，j)，可任意取其一份或多份进行混合。

(5)加密信息的传递：上述混合物(液体)可干燥后装入离心管进行携带。也可将混合物滴在滤纸上，用铅笔圈上印迹，很快干燥后即可携带。

(6)信息解密方法：收到寡核苷酸探针混合物之后，按照特定的杂交条件进行芯片杂交，通过检测S(i，j)探针与G(i，j)杂交后的荧光颜色、位置和强度，经图像处理和分析，即可得到明文信息。

2.根据权利要求1所述的DNA芯片，其特征在于芯片上的DNA是人工合成的随机序列DNA(单链)，每个随机序列DNA大约1-2kb，且GC含量在40-60之间；为方便及节约成本起见，也可以使用生物体中克隆的cDNA，或者混合使用人工合成随机序列DNA与生物体中克隆的cDNA。这些DNA通过原位合成或显微打印在固相支持物上而制成DNA芯片。每个DNA在芯片微阵列上的点(i，j)(第i行第j列)，对应于一个DNA序列G(i，j)，组成一个2维点阵分布图或矩阵M。

3.根据权利要求1所述的DNA芯片的密码系统，其特征在于，随机序列DNA寡核苷酸探针S(i，j)是从G(i，j)随机截取的一段大约15bp(不限于此长度)的一段DNA序列，以其反向互补序列进行人工合成得到的寡核苷酸片段，该核苷酸片段在人工合成时被标记了Cy3或Cy5等不同颜色的荧光染料。

4.根据权利要求3所述的随机序列DNA寡核苷酸探针S(i，j)，其特征在于该探针DNA序列在DNA芯片所有DNA序列中是唯一的，其唯一性可通过BLAST进行搜索和验证，并且保证该序列与其它序列的同源性低于50％。

5.根据权利要求1所述的基于DNA芯片的密码系统，其特征在于所述信息加密的过程就是首先在DNA芯片DNA点阵分布图或矩阵M平面上选取组成信息的点阵，然后在对应的DNA序列G(i，j)中随机选取合适的DNA探针S(i，j)，全部探针合成后各取适量探针进行混合即可。混合物可以是粉末也可以是液体。

6.根据权利要求1所述的基于DNA芯片的密码系统，其特征在于所述信息解密的过程就是用用探针混合物与DNA芯片进行杂交，经基因芯片扫描仪扫描、图像处理和分析，即可直观地显示出明文信息。

7.根据权利要求1所述的基于DNA芯片的密码系统，其特征在于DNA芯片可随时更换，更换DNA芯片时无需重新合成大量的DNA片段，只需将原先的DNA片段打乱顺序重新制作DNA芯片和编制相应的G(i，j)点阵分布图M即可。

8.根据权利要求1所述的基于DNA芯片的密码系统，其特征在于寡核苷酸探针S(i，j)混合物中也可以混入其它未标记的DNA，不影响杂交效果，从而达到信息隐藏的效果，加大密码破译难度。

9.根据权利要求1所述的基于DNA芯片的密码系统，其特征在于在二维分布图或矩阵M上进行信息“书写”时，可以选取多个“点”(i，j)代表某个信息，同时同一个“点”(i，j)也可以在对应的DNA序列G(i，j)中随机选取两个或多个合适的DNA探针S(i，j)。因此在杂交结果中由个别假阳性或假阴性结果并不影响整体信息的认读，从而可确保信息传递的鲁棒性。