CN103997404B - 一种dna自组装结构和基于其的对称加密系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种DNA自组装结构和基于其的对称加密系统，所述DNA自组装结构包括泡状结构，由DNA纳米结构与链Q通过碱基配对形成，其中DNA纳米结构由DNA链AB与链BHQ链杂交形成，借助DNA巨大的并行能力、大规模的信息搜索及单分子识别能力，和拥有在复杂生物体内利用不同检测方法以完成信息的变换、传送和检测的内在优势，以及基于纳米技术在大规模信息搜索中的困难性，利用DNA自组装结构，实现流加密法中加密和解密；所述对称加密系统借助AB链的特异性识别区域和链置换技术，实现异或运算，完成一次一密的信息加密及解密，从而保证密码的难以破解性以及提高信息存储和传送的安全性。所述一种DNA自组装结构和基于其的对称加密系统可广泛的应用于各密码领域。

Description

一种DNA自组装结构和基于其的对称加密系统

技术领域

本发明涉及密码学研究领域，尤其涉及DNA密码领域。

背景技术

现代密码学是基于多种困难的数学难题诸如非多项式时间完全问题(NP-C)。量子密码学则是基于海森堡不确定性原理(Heisenberg uncertain principle)的物理学难题。现代密码学和量子密码学缺乏巨大的并行能力、大规模的信息搜索，对于大量信息的加密，速度较慢，并且这些密码的密文容易被攻击者截获，可能会被破解。除此之外传统加密方法依赖于困难的数学问题，而这些问题一旦被解决就会使加密方法失效。

近年来，由于DNA分子具有的巨大并行性和高密度信息存储等优势，它已经被广泛应用于计算、数据存储、密码学等方面。DNA密码——密码学研究领域的一个新方向，是数学、信息科学、纳米技术和分子生物学多学科的交叉产物。

DNA密码由于具有超强信息存储能力受到学者们的关注，并且已经逐渐从理论发展到应用。1999年，《自然》期刊上报道了一种新型DNA“隐写术”，其通过PCR得到的包含了一段编码信息的短链DNA来实现加密和解密。从那时起，DNA密码领域的研究引起了广泛的关注。随着相关技术的发展，许多纳米技术也已经逐渐被用于DNA密码体系，例如DNA杂交，DNA自组装和链置换，DNA芯片和DNA/纳米颗粒结合体等。

综上述，如何借助DNA巨大的并行能力、大规模的信息搜索及单分子识别能力，和拥有在复杂生物体内利用不同检测方法以完成信息的变换、传送和检测的内在优势，以及基于纳米技术在大规模信息搜索中的困难性，提出一种新的DNA自组装结构；并且基于该DNA自组装结构提供一种对称加密系统，从而实现DNA密码体系中流加密法的加密和解密，保证密码的难以破解性以及提高信息存储和传送的安全性，是现有技术中的一大难题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是如何借助DNA在密码领域的优势，提供一种DNA自组装结构和基于其的对称加密系统，从而实现DNA密码体系中流加密法的加密和解密。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种DNA自组装结构，所述DNA自组装结构包括泡状结构，由DNA纳米结构与链Q，通过碱基配对形成，其中DNA纳米结构由DNA链AB与链BHQ链杂交形成。

其中，链Q包含三段序列，分别是首端序列Q1，末端序列Q2和中间序列Q3，链Q的中间序列Q3被荧光基Cy3修饰，首端序列Q1链与AB链的一部分序列互补，末端序列Q2与AB链的另一部分序列互补，所述BHQ的3’端由荧光淬灭基BHQ标记，并且它完全与AB链的中间序列互补，此时Q3被近端的BHQ的3’端的荧光淬灭基所淬灭，当Q链被置换并与AB链分离时，荧光强度将会随着荧光基和猝灭剂的分离相应地增加。

本发明还提供一种对称加密系统，其特征在于，所述对称加密系统包括所述的DNA自组装结构的，且包括异或运算操作系统。

本发明还提供根据所述的对称加密系统的一种对称加密方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：定义DNA序列编码，在异或操作中，M表示明文，S表示密钥，C是密文或荧光信号，明文M、密文或荧光信号C与密钥S分别与AB链部分区域互补，明文M、密文或荧光信号C与密钥S转化成二进制串；

步骤二：加密，构建的DNA自组装结构作为初始运算模块，加密秘钥S和明文M的DNA链，与初始运算模块进行链置换反应实施逻辑异或运算，得到密文或荧光信号C，从而完成明文M的DNA加密过程；

步骤三：解密，解密密钥S和密文或荧光信号C的DNA链，与DNA自组装结构进行链置换反应实施逻辑异或运算，从而完成密文或荧光信号C的DNA解密过程；

其中，明文M的每一位的异或操作是在单独的试管中完成的。

优选地，加密和解密过程中，DNA自组装结构的AB链分别是AB1链和AB2链，AB1链和AB2链的特异性识别区域不同，且加密密钥和解密密钥的DNA序列不同。

优选地，对明文M执行异或操作实现信息的加密时，产生荧光信号表示“1”，没有产生荧光信号表示“0”，所有位的荧光信号连在一起表示密文，然后传送给接收方。

(三)有益效果

本发明的DNA自组装结构和基于其的对称加密系统，借助DNA巨大的并行能力、大规模的信息搜索及单分子识别能力，和拥有在复杂生物体内利用不同检测方法以完成信息的变换、传送和检测的内在优势，以及基于纳米技术在大规模信息搜索中的困难性，利用DNA自组装结构，实现流加密法中加密和解密。借助特异性识别区域和链置换技术，实现异或运算，完成一次一密的信息加密及解密，从而保证密码的难以破解性以及提高信息存储和传送的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明提供的一种DNA自组装结构形成过程示意图；

图2：本发明提供的对称加密系统的体系流程图；

图3：本发明提供的对称加密系统的利用链置换进行异或运算的过程示意图；

图4：本发明提供的对称加密系统的波长在564nm时的荧光强度值，其中L1-L3分别表示单输入A1链、单输入B1链、双输入A1和B1链；

图5：本发明提供的对称加密系统的异或XOR逻辑运算电泳检测结果；

图6：本发明提供的对称加密系统的加密荧光检测结果；

图7：本发明提供的对称加密系统的解密荧光检测结果；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

实施例1：DNA自组装结构的形成基本流程如图1所示。

基于DNA自组装结构，构建了一种对称加密系统。发送人使用的加密密钥命名为Ka。发送人用Ka将明文P转换为密文C，并将此密文发送给一个接收者，接收者拥有解密密钥Kb。接收密文C后，接收者用Kb通过解密过程来获得明文P。这种加密算法使用的是一次一密的异或运算。而异或操作是一个执行异或运算的逻辑门，也就是当仅有一个输入为真(1)时输出结果为真(1)，如果全部输入为真(1)或输入为假(0)时输出结果为假(0)。

本发明中选择“code”作为明文来进行加密和解密。根据ASCII密码，此明文可以转化为二进制串“01100011 01101111 0110010001100101”。假设密钥由二进制串“1000111110011100 1110011101101011”表示。DNA密码系统的具体计算步骤如图2，包括以下步骤：

第一步：定义DNA序列编码，如图1所示，为了构建DNA自组装结构，几种不同的DNA链(AB1,BHQ和Q)被设计并合成，长度分别是74bp，14bp，和53bp。为了执行加密和解密，分别与AB1链部分区域互补的DNA链A1和B1，在异或操作中作为明文或密钥。M表示明文，S表示密钥，C是密文或荧光信号。不论是M还是S，A1链表示输入数据“1”，B1链表示输入数据“0”。实验中使用的所有DNA链见表1：

表1

第二步：加密，利用DNA自组装结构，对明文M执行异或操作实现信息的加密，如图3所示。由于每一位的异或操作是在单独的试管中完成的，因此明文的所有位操作都是并行的。产生荧光信号表示“1”，没有表示“0”。这样所有位的荧光信号连在一起表示密文，然后传送给接收者。若没有解密密钥，直接从DNA自组装结构中读出明文是非常困难的，这是因为DNA序列的多样化引起的。

第三步：解密，接收者用解密密钥读出密文。与加密密钥类似，解密密钥的DNA链与AB2链的序列部分互补，AB2链与AB1链的特异性识别区域不同。通过异或操作，密文可以转换为明文。解密过程与加密过程相同，计算结果由荧光信号获得。值得注意的是，加密密钥和解密密钥的DNA序列是不同的。

实施例2：DNA自组装结构通过几种不同的寡核苷酸单链杂交形成，具体方法如下所述：首先，通过互补识别区域，单链AB与BHQ杂交形成一条新的DNA链，在此过程中，将等摩尔浓度的单链AB与BHQ加入到体系中(终浓度3.75pmol/L，TAE/Mg2+缓冲液)，并将混合液在37℃放置2小时。其次，以等摩尔浓度将Q链加入混合液中，37℃放置2小时。实验中，为进行异或运算的链置换反应，将输入链(终浓度3.75pmol/L)加入到含有DNA自组装体的混合液中，室温下反应2小时以上，即可进行PAGE电泳和荧光结果检测。对于每个样品，利用荧光检测仪，记录下波长564nm处输出的荧光值，如图4所示。

实验中所使用的DNA链购自上海生工，都经过PAGE电泳纯化。

实验中的DNA分子序列见表1。

实验中用到的试剂如下所示：Na2EDTA、Tris碱、过硫酸铵、丙烯酰胺、亚甲双丙烯酰胺、四甲基乙二胺(TEMED)和Stain all购自Sigma公司。TAE/Mg2+缓冲液配制如下：0.04mol/L Tris碱，1mmol/L Na2EDTA，12.5mmol/L醋酸镁,调整pH为8.3。丙烯酰胺母液配制如下：配制500mL，浓度为45％的丙烯酰胺母液，称取217g丙烯酰胺和8g亚甲双丙烯酰胺，在37℃下溶解,加入去离子水定容至500mL。实验中所有用到的DNA链均通过TU-1901分光光度计(购自北京普析通用仪器有限公司)进行浓度测定，记录每种DNA链在λ＝260nm处吸收强度值。利用F-2700荧光分光光度仪(Hitachi)，对输出结果产生的荧光进行检测，最大吸收波长为550nm，最大发射波长为564nm。

本实验中，我们分别利用PAGE电泳和荧光信号两种方法检测计算结果。由于输入信号与DNA自组装体发生链置换，产生的DNA组装结构改变，那么在凝胶中的电泳速度也随之改变，因此通过PAGE电泳很容易观察到计算结果。此外，为了提高计算的准确性和简便性，文中引入荧光信号检测技术，通过荧光信号有无，判断输出结果。

在加密运算中，构建的DNA自组装结构作为初始运算模块，通过输入链与初始模块进行链置换反应实施逻辑异或运算，从而完成DNA加密过程。这里，分别以第一位、第二位、第四位及第七位的信息为例，详细介绍加密运算过程。(1)由于明文和密钥的第一位字符分别是0和1，因此代表0和1的DNA序列B1和A1同时加入到含有DNA自组装结构的溶液中。首先，通过AB链上的特异性区域识别，输入链A1和B1逐渐取代Q链；随后，为了达到最稳态，A1，B1和AB链最终形成一条稳定的双链DNA分子，Q链被释放，从而使得荧光基和淬灭基分离产生荧光信号，如图4中L3所示。(2)明文和密钥的第二位字符分别是1和0，因此代表1和0的DNA链A1和B1同时加入到含有DNA自组装结构的溶液中。与第一位的置换反应相同，Q链被释放，荧光信号被检测到，如图4中L3所示。(3)对于第四位字符，明文和密钥分别是0和0，所以两条代表0的DNA链B1作为输入链，加入到含有DNA自组装结构的溶液中。Q链的第3段与B1链上的特异性位点相互识别并结合，逐渐形成稳定的双链结构。由于Q链的第1段序列仍与自组装结构结合，Q链没有完全被释放(即荧光基与淬灭基没有分离)，因此没有荧光信号产生，如图4中L2所示。换言之，只加入表示0的DNA链，不能产生荧光信号。(4)对于第七位字符，明文和密钥分别是1和1，所以两条代表1的DNA链A1作为输入链，加入到含有DNA自组装结构的溶液中。Q链的第1段与A1链上的特异性位点相互识别并结合，逐渐形成稳定的双链结构。与第四位计算类似，由于Q链没有完全被释放，因此也没有荧光信号产生，如图4中L1所示。利用这种方法，最终明文每一位上的字符都同时在不同的试管中并行实行加密运算，通过荧光检测，获得一组含有32位的荧光信号。

输出结果为1，在1000以下表示输出结果为0。(a)无输入信号时的初始状态；(b)加入输入链A1，即输入信号为(1,1)时的荧光强度值；(c)加入输入链B1，即输入信号为(0,0)时的荧光强度值；(d)加入输入链A1和B1，即输入信号为(1,0)时的荧光强度值；(e)加入输入链B1和A1，即输入信号为(0,1)时的荧光强度值。

在荧光检测基础上，实验利用PAGE凝胶电泳进一步验证计算结果。为了使电泳结果清晰可见，将AB长链设计成两条短链A和B。这两条短链和Q链杂交形成DNA自组装结构。以该结构作为初始模块，分别加入不同的输入链，通过链置换反应，产生输出链。利用PAGE电泳检测，最终得到异或运算的计算结果。下面以明文的第一、二、四、七位为例进行电泳检测说明，如图5所示，泳道1～3，7～9显示了各个不同自组装体的电泳条带，泳道4～6显示了异或运算的计算结果。计算结果可以从电泳条带部位进行判读，以橘红色箭头标出(标记部位代表单链Q的电泳位置)。在异或逻辑计算中，分四种情况进行输入：(0，0)、(1，1)、(0，1)和(1，0)。(1)当输入信号均为1时(链A1)，Q链没有完全被释放，输出信号为0。从图5中泳道4可见，相比初始结构泳道3，产生了两条新的条带，分别是A与A1链形成的双链，初始结构释放A链后的结构。(2)当输入信号均为0时(链B1)，Q链也没有完全被释放，输出信号亦为0。泳道5显示了B1链与初始结构发生链置换后产生的条带，分别是B与B1链形成的双链，初始结构释放B链后的结构。(3)当两个输入信号中有一个为1时(链B1和A1)，初始结构完全解体，Q链完全被释放，输出信号为1。泳道6显示了链A1、B1与初始结构发生链置换后产生的条带。通过与泳道7～9比较，发现其位置与Q链相当，并同时还有A与A1链、B与B1链形成的双链。由于位置相近，这三条带有些重合。通过电泳结果检测，所有实验结果均与荧光结果相吻合。

根据上述荧光检测方法，对明文每一位上的字符同时进行异或运算，最终获得一组含有32位的荧光信号，如图6所示。根据荧光信号的有无，得到一组代表密文的新的二进制字符串“11101100 1111001110000011 00001110”。随后将密文通过公开的途径发送给接收者Bob，不用担心加密信息被破译，因为只有接收者才拥有解密密钥的DNA序列及自组装和链置换的反应条件。

在解密系统中，运算步骤与加密步骤相同。不同的地方是DNA初始组装结构由单链Q、BHQ和AB2组成的。它与AB1链的特异性识别区域序列不同，因此代表1和0的解密密钥的序列与加密密钥的序列不同。当接收者收到密文后，用构建好的自组装结构与解密密钥对密文实行异或运算。最终通过荧光检测，得到一串荧光信号，如图7所示，并将其翻译成明文的二进制字符串。根据ASCII码对照表，得到明文“code”。

与传统密码体系相比，DNA密码具有以下两方面优势：(1)DNA密码比传统密码的安全性高。DNA密码具有两层安全性：第一层安全性是生物技术的局限性提供的，第二层安全性依赖困难的计算问题。一方面，DNA自组装结构通过控制调节DNA单链的浓度及反应条件等因素形成。信息加密及解密是利用该结构，通过DNA单链置换技术完成的。因此，没有得到这种自组装结构、没有具体的链置换反应条件，即使攻击者得到了解密密钥，DNA密码也不可能被破译。另一方面，编码技术提供了第二层安全性。本文中，为了实验便于操作和实现，对二进制字符串的每一位进行运算时用到的DNA自组装结构都是相同的，即密钥的DNA序列相同。为了提高DNA密码的安全性，在下一步的研究中可对每一位设计不同的DNA自组装结构及密钥序列。利用这种方法，假设密钥DNA序列长度为25bp，那么每一位表示1和表示0的可能的密钥组合为(DNA链由四种不同的碱基组成：A、C、T、G)。如果字符串有1000位，那么可能的密钥组合将是，所需要的计算能力和存储空间都极大地超出了当前人类社会的极限。(2)DNA密码具有高度并行计算能力。正如文献[19-20]所述，1克DNA分子可存储108TB的数据，并且所有DNA分子都可进行并行计算。利用这种优势，字符串中的每一位可以同时并行操作，极大地提高了计算速度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种DNA自组装结构，其特征在于，所述DNA自组装结构包括泡状结构，由DNA纳米结构与链Q通过碱基配对形成，其中DNA纳米结构由DNA链AB与链BHQ链杂交形成；链Q包含首端序列Q1，末端序列Q2和中间序列Q3，链Q的中间序列Q3被荧光基Cy3修饰，首端序列Q1链与AB链的一部分序列互补，末端序列Q2与AB链的另一部分序列互补，所述BHQ的3’端由荧光淬灭基BHQ标记，并且它完全与AB链的中间序列互补。

2.一种对称加密系统，其特征在于，所述对称加密系统包括权利要求1所述的DNA自组装结构的，且包括异或运算操作系统。

3.一种根据权利要求2所述的对称加密系统的对称加密方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在异或操作中，将明文、密文或荧光信号与密钥转化成二进制串，明文、密文或荧光信号与密钥分别与AB链部分区域互补；

步骤二：加密，构建的DNA自组装结构作为初始运算模块，加密秘钥和明文的DNA链，与初始运算模块进行链置换反应实施逻辑异或运算，得到密文或荧光信号，从而完成明文的DNA加密过程；

步骤三：解密，解密密钥和密文或荧光信号的DNA链，与DNA自组装结构进行链置换反应实施逻辑异或运算，从而完成密文或荧光信号的DNA解密过程；

其中，明文的每一位的异或操作是在单独的试管中完成的。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，加密和解密过程中，DNA自组装结构的AB链分别是AB1链和AB2链，AB1链和AB2链的特异性识别区域不同，且加密密钥和解密密钥的DNA序列不同。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对明文执行异或操作实现信息的加密，产生荧光信号表示“1”，没有产生荧光信号表示“0”，所有位的荧光信号连在一起表示密文，然后传送给接收方。