CN104734848A - 基于重组dna技术对信息进行加密与隐藏的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于重组DNA技术对信息进行加密与隐藏的方法及应用，通过将明文信息编码成DNA序列，再采用加密算法对其进行预处理，生成一条伪DNA片段；然后，使用限制性内切酶和连接酶将伪DNA片段和标记基因片段连接到DNA质粒载体上，并将所得的重组质粒进一步隐藏到细菌体内；最后，将含有机密信息的细胞隐藏到大量无关的伪装细胞中，通过选择性培养筛选出所隐藏的细胞。本发明加密与隐藏的方法在认证或者签名技术中的应用。本发明实现机密信息的加密、隐藏与传递，增加了系统的破解难度。

Description

基于重组DNA技术对信息进行加密与隐藏的方法及应用

技术领域

本发明属于信息加密技术领域，尤其涉及一种基于重组DNA技术对信息进行加密与隐藏的方法应用。

背景技术

21世纪是网络高速发展的信息时代，特别是随着互联网和物联网的快速发展，大部分政府机关、企业和个人将信息资料存放在网络数据库中，使得信息的搜索更加便捷，信息的传输更加快捷，信息的使用更加有效。信息资料已经成为各界资产的重要组成部分。然而，信息时代在给世界各国带来发展机遇的同时，也对维护国家安全和信息安全提出了挑战。一方面，信息是社会稳定和经济发展的重要资源，信息技术和产业的迅猛发展不仅促进了经济发展和社会进步，也给人们的工作和生活带来了巨大的方便；另一方面，随着信息技术和IT产业的发展，危害信息安全的事件与日俱增。信息安全问题已经成为影响国家安全、社会稳定、经济发展和人身财产的重大问题，必须采取措施保证信息资源的价值性、完整性、保密性和可控性。

密码学的计算方式从原始的手工计算到机械计算，再到电子计算的转变，计算能力不断提升。一方面，随着现代工业技术的发展，电子电路已迈入超大规模集成电路和特大规模集成电路时代，晶体管的设计逐渐接近物理极限，电子计算技术逐渐迈向瓶颈。为了满足计算的需求，各界研究人员不断寻求新一代计算技术和计算机体系结构来提高运算速度和信息存储能力；另一方面，现代密码学大都是基于数学难题的密码学，除了一次一密外，其他密码体系的安全性完全依赖于数学上的困难问题，其密码系统仅具备计算安全性，若攻击者具有足够的计算能力，就能轻易的破译这些密码体系，密码技术受到了威胁。因此，研究非数学的密码具有重要的意义。

分子生物技术的发展和分子生物计算机的诞生为密码理论提供了一种全新思路，科学家们逐渐将生物技术应用于密码领域，展开基于核酸分子的计算及信息安全技术的研究工作。现阶段的分子生物计算和分子生物密码主要是以脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid，DNA)作为载体，也常被称作DNA计算和DNA密码，现已发展成为一个新颖而极具潜力的交叉学科。分子生物计算拥有全新的数据结构和计算方法，它的应用为信息安全技术带来了新的机遇。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于重组DNA技术对信息进行加密与隐藏的方法及应用，旨在解决传统的信息隐藏方式安全性比较低，容易破译的问题。

本发明是这样实现的，一种基于重组DNA技术对信息进行加密与隐藏的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将机密信息编码成碱基序列；

(2)对编码后的碱基序列加密到载体DNA序列后得到伪装DNA序列；

(3)利用重组DNA技术将伪装DNA序列重组到含有选择性抗性基因的DNA质粒载体；将重组后的DNA质粒载体转化受体细胞，并与无关的伪装细胞混合。

重组DNA技术的基本过程包括五个步骤：目的基因DNA片段的获得，外源DNA分子与载体DNA分子的体外重组，重组DNA分子转移到适当的受体菌或细胞中复制，重组DNA分子抗性或者标记的筛选和鉴定，目的基因或其表达产物的纯化和鉴定。重组DNA技术包含天然的加密与解密过程，可用于设计新型密码。

在本发明中，用DNA连接酶将伪装DNA序列与选择标记基因连接到质粒载体，得到重组质粒载体。将重组DNA质粒转化到宿主细胞，如大肠杆菌。最后，将宿主细胞随大量无关的细胞一同发送给接收方。重组DNA中含有选择性抗性基因，接收方可以在合适的选择性培养基中培养所接收到的细胞，只有具有特殊抗性的细胞才能存活并扩增。

优选地，在步骤(1)中，所述将机密信息编码成碱基序列的方式包括两位二进制表示一个碱基的编码方式和三个核苷酸来编码一个字符的三联体编码方式。

由于本发明的安全性主要依赖于生物困难问题，该密码方案中所采用的编码方式对本方案的安全性影响不大。因此，可以对明文信息只先进行简单的编码处理。常用的编码方式有用两位二进制表示一个碱基的编码方式和利用三个核苷酸来编码一个字符的三联体编码方式。本密码方法中采用三个核苷酸编码一个字符的三联体编码方式。三联体编码方式如表1所示，假设秘密消息是M，编码后的DNA序列是M′，M′＝{m₁,m₂,...,m_p}，p是M′的长度，p≤n，p≤m。

表1 三联体编码对照表

优选地，所述步骤(2)具体包括以下步骤：

A、选取一条载体DNA序列和一个随机产生的递增整数序列A作为载体序列的位置信息；选取一条DNA参考序列和一个随机产生的递增整数序列B作为载体序列的位置信息；

发送方选取一条DNA序列作为载体DNA序列S和一个随机产生的递增整数序列A作为载体序列的位置信息，通过安全途径传送给接收方。接收方同样选取一条DNA序列作为DNA参考序列K和一个随机产生的递增整数序列B作为载体序列的位置信息，通过安全途径传送给发送方。其中，令S＝{s₁,s₂,...,s_n}，K＝{k₁,k₂,...,k_m}；A＝{a₁,a₂,...,a_p}，B＝{b₁,b₂,...,b_p}，a_p≤n，b_p≤m。

B、设计单映射规则表，该规则表可以根据参考序列K及其位置信息B、载体序列S及其位置信息A和加密信息M′得到伪序列S′中的秘密信息；或者根据参考序列K及其位置信息B、伪序列S′及其位置信息A和加密信息M′得到载体序列S。也即根据参考序列K中对应位置的碱基和载体序列S中对应位置的碱基，通过映射规则表，确定伪序列S′中的秘密信息。

本密码方法中设计的单映射规则表如表2所示。表2列出了一个规则表的例子，第一行是伪序列的碱基，第一列是载体序列的碱基，其他表格中是编码后的明文信息。为保证输入消息可以被准确地提取，表中每列必须分配不同的碱基。

表2 单映射规则表

(a)参考序列K中碱基为A

(b)参考序列K中碱基为G

(c)参考序列K中碱基为T

(d)参考序列K中碱基为C

C、根据所构建的单映射规则表，定义转换函数来隐藏秘密信息；

根据所构建的单映射规则表，定义转换函数Φ{s_i,k_j,m_k}和逆转换函数Φ′{s_i,k_j,m_k}来隐藏和提取秘密信息。

D、根据转换函数和位置信息序列A、B，将所述编码后的碱基序列隐藏到载体DNA序列的指定位置，没有隐藏信息的位置随机分配碱基，得到伪装DNA序列；

根据转换函数Φ{s_i,k_j,m_k}和位置信息A、B，秘密信息M′被隐藏到载体序列的指定位置，没有隐藏信息的位置则随机分配碱基，最终得到隐藏有秘密信息的伪装DNA序列S′。

优选地，在步骤(3)中，所述伪装DNA序列对DNA质粒载体中其他基因不构成干扰；

根据隐藏算法将秘密信息隐藏到多个伪装DNA序列中，对这些伪装DNA序列进行分析，考虑一些约束条件如：CG含量，解链温度，汉明距离，自由能等。从而选取一条最佳的序列，保证后期实验得以进行。在公开数据库中进行序列比对，保证所选用的序列对实验中的其他基因不形成干扰，例如：形成终止密码子或可编码功能蛋白质的基因等。

在本发明基于重组DNA技术对信息进行加密与隐藏的方法的实际应用过程中，包括发送方的加密与隐藏的过程以及接收方的解密的过程，其具体过程为：

(1)发送方选取一条DNA序列作为载体DNA序列S和一个随机产生的递增整数序列A(位置信息)作为载体序列的位置信息，通过安全途径传送给接收方。接收方同样选取一条DNA序列作为DNA参考序列K和一个随机产生的递增整数序列B(位置信息)作为载体序列的位置信息，通过安全途径传送给发送方；

(2)发送方对明文信息采用两位二进制表示一个碱基的编码方式或三个核苷酸来编码一个字符的三联体编码方式进行编码为碱基序列；

(3)发送方根据上述单映射规则表、转换函数以及位置信息序列A、B对编码后的碱基序列进行加密，得到伪装DNA序列；

(4)发送方将得到的伪装DNA序列重组到含有选择性抗性基因的DNA质粒载体；将重组后的DNA质粒载体转化受体细胞，并与无关的伪装细胞混合；

(5)接收方在收到含有受体细胞的伪装细胞后，根据选择性抗性基因的类型，在合适的选择性培养基中培养所接收到的细胞，具有特殊抗性的受体细胞只存活并扩增；

(6)接收方将扩增的受体细胞进行提取纯化后，用限制性内切酶将伪装DNA序列从DNA质粒载体上切下来并对其提取纯化后测序，得到伪装DNA序列的碱基排列信息；

(7)接收方根据逆转换函数Φ′{s_i,k_j,m_k}和位置信息A、B，从伪装DNA序列S′中恢复出编码后的秘密信息M′；

(8)接收方使用三联体编码规则，DNA序列M′被解码为秘密信息M。

本发明进一步提供了上述加密与隐藏的方法在认证或者签名技术中的应用。

本发明克服现有技术的不足，提供一种基于重组DNA技术对信息进行加密与隐藏的方法及应用，通过将明文信息编码成DNA序列，再采用加密算法对其进行预处理，生成一条伪DNA片段；然后，使用限制性内切酶和连接酶将伪DNA片段和标记基因片段连接到DNA质粒载体上，并将所得的重组质粒进一步隐藏到细菌体内；最后，将含有机密信息的细胞隐藏到大量无关的伪装细胞中，通过选择性培养筛选出所隐藏的细胞。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明利用重组DNA技术将机密信息编码后通过一个单映射规则表得到伪装DNA序列，该映射机制可隐藏更多的信息。将秘密信息隐藏到有机体内，以有机体来进行隐藏的方式比微点隐藏方式更加灵活，可以增加系统的破解难度。将隐藏有秘密信息的细菌体和大量无关的细菌一同发送给接收方，增加了破解的生物难度。本发明提出的基于重组DNA技术的密码方法充分利用重组DNA技术实现机密信息的加密、隐藏与传递，增加了系统的破解难度，达到了密码学的安全性要求，为密码学的研究提供一种新的思路。

附图说明

图1是本发明实施例提供的信息加密过程；

图2是本发明实施例提供的基于重组DNA技术的信息隐藏过程；

图3是本发明实施例提供的pET-28b(+)的图谱；

图4是本发明实施例提供的DNA测序结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于重组DNA技术对信息进行加密与隐藏的方法。DNA分子是天然的大规模及超大规模信息存储与信息计算的媒介，在计算方面表现出高并行、高存储以及低能耗的优势。本发明将生物技术和传统密码方法相结合，以DNA分子为媒介，设计基于重组DNA技术的密码方法，实现了信息的加密和隐藏。基于重组DNA技术的密码方法结合了传统的隐藏技术与生物技术，将密文信息嵌入活的有机载体中传送。有机体比DNA微点隐蔽性更强，不易被发现。该密码方法的加密过程如图1所示，主要由两个部分组成，一是基于DNA序列的加密，二是基于重组DNA技术的隐藏。故该方案具有两层安全性，如果其中一层被破解，另外一层仍能保证信息的安全。

DNA序列是由A，C，G，T组成的一维字符序列，嵌入的明文必须转换成由A，C，G，T组成的一维字符序列。所以，该密码方案先按照一定的规则将秘密信息编码成碱基序列；再根据设计的单映射规则表将编码后的秘密信息嵌入到DNA序列载体中；然后将隐藏有秘密信息的DNA序列重组到DNA质粒载体并植入受体细胞；最后，发送方将隐藏有秘密信息的有机体与大量无关的有机体一同发送给接收方，接收方通过选择性标记、酶以及载体序列等密钥破解出秘密信息，如图2所示。

本发明以假设发送的机密信息是“CHINA”为例来研究基于重组DNA技术的信息加密和隐藏方法的实验过程，主要包括发送端实验和接收端实验。具体步骤如下：

1、发送端实验

(1)准备伪装DNA序列

选择载体DNA序列S和参考序列K。随机生成两组递增的整数序列A和B。根据隐藏算法将秘密信息隐藏到多个伪装DNA序列中，对这些伪装DNA序列进行分析，考虑一些约束条件如：CG含量，解链温度，汉明距离，自由能等。从而选取一条最佳的序列，保证后期实验得以进行。在公开数据库中进行序列比对，保证所选用的序列对实验中的其他基因不形成干扰，例如：形成终止密码子或可编码功能蛋白质的基因等。在本实验中，为保证后期质粒的翻译正常，选择长度为3的倍数的DNA序列，并结合预选用的质粒上的酶切位点，在所选取的DNA两端增加酶切序列，最终合成伪装DNA序列，制备过程如下所示：

1)给定密码信息M，载体DNA序列S，参考DNA序列K，位置信息序列A和B。

密码信息：CHINA

载体DNA序列：

CTTAAATTGAACAACTTTCAACCAACTATAATCGCGACGTTTGTT

参考DNA序列：

TCCTAGACATACAGCGCACCTGTGAACCTTCTGATCGCTCCGCCG

位置信息序列A:2 5 8 10 12 16 21 26 27 29 33 36 38 40 44

位置信息序列B:1 6 8 9 12 15 17 21 24 27 31 34 36 41 45

2)编码后：GTT CGC ATC TCT CGA

3)替换后：

AGAAGCATCGGCTATCGCTAGAAGTCCGTATTAGTCCATGTAAGC

4)加上粘性末端：CATATG，CTCGAG，得到伪装DNA序列：

5'TATG*AGAAGCATCGGCTATCGCTAGAAGTCCGTATTAGTCCATGT AAGC*C3'

其互补序列为：

3'AC*TCTTCGTAGCCGATAGCGGTCTTCAGGCATAATCAGGTACATTCGG*AGCT5'

加粗部分代表的是密码信息

下划线部分代表的是随机字符

5'TATG*和3'AC*代表的是第一个酶切位点(xhol sote)

*C3和'*AGCT5'代表的是第二个酶切位点(ndel site)

5)合成伪装DNA序列链和其互补序列链

(2)准备DNA载体

选取pET-28b作为载体，pET-28b是一个具有5368个碱基的质粒。图3是pET-28b(+)载体图谱，从图中可见，pET-28b(+)载体具有卡那霉素抗性基因和一些限制性内切酶位点，将卡那霉素抗性基因作为图2中的选择性标记基因，当然也可选用其他抗性载体，或选用其他抗性、绿色荧光蛋白基因的标记基因等，用DNA连接酶链接上伪装DNA序列作为一个整体DNA序列重组到所选择的质粒上。本发明选用Xho I和Nde I位点，用Xho I，Nde I两种限制性内切酶对载体进行双酶切。为步骤(3)中的重组DNA的链接准备黏性末端。

(3)重组与转化

将步骤(1)中合成的序列用T4连接酶连接到切开pET-28b(+)载体上，然后将其转化至大肠杆菌TOP10感受态细胞内。

(4)伪装与发送

将步骤(3)中得到的菌体细胞伪装在大量无关的菌体细胞内并发送给接收方。

2、接收端实验

接收方在接收到细胞后按照以下步骤来恢复秘密信息。

(1)筛选细菌

接收方在含有卡那霉素的LB培养基上培养接收到的细胞，只有含有秘密信息的和标记基因细胞才能存活和扩增，该步骤至少需要4h以上。

(2)得到伪装DNA序列

挑取单克隆菌落，破碎菌体，高速冷冻离心，提取纯化扩增后的重组DNA载体分子，根据发送方设计的双酶切位点，选用Xho I和Nde I位点进行双酶切；分离纯化得到发送方隐藏的伪DNA片段S′。最后，通过DNA测序得到的序列，测序结果如图4所示。目前的技术水平，本发明的短片段DNA测序7小时可以完成，而且随着技术的发展，测序时间会有所减少。

(3)信息逆变换

根据逆转换函数Φ′{s_i,k_j,m_k}和位置信息A、B，从伪装DNA序列S′中恢复出编码后的秘密信息M′：GTT CGCATC TCT CGA。

(4)解码

用三联体编码方式进行解码得到信息“CHINA”。

至此，基于重组DNA技术的密码方法，以明文信息“CHINA”为例，将其编码成DNA分子并进行合成后作为目的基因，重组到pET-28b(+)载体，再转化到大肠杆菌TOP10细胞内，最后将受体细胞与对照组细胞混合。经过条件培养后，可以筛选出来受体细胞，并提取出重组质粒，最终测序结果跟明文信息完全一致。该方法属于新型的非数学密码，建立在生化实验的特殊条件、特殊结构或检测困难等基础上，具有密码学计算困难问题和生物学困难问题双重安全保障，如果结合传统的密码算法，再配以计算复杂性的生化实验，则可实现更加可靠的密码体系。随着科学技术水平的发展，也可将基于重组DNA技术的密码方法应用到认证或者签名技术中，具有重要的研究意义和广阔的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于重组DNA技术对信息进行加密与隐藏的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将机密信息编码成碱基序列；

(2)对编码后的碱基序列加密到载体DNA序列后得到伪装DNA序列；

(3)利用重组DNA技术将伪装DNA序列重组到含有选择性抗性基因的DNA质粒载体；将重组后的DNA质粒载体转化受体细胞，并与无关的伪装细胞混合。

2.如权利要求1所述的基于重组DNA技术对信息进行加密与隐藏的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述将机密信息编码成碱基序列的方式包括两位二进制表示一个碱基的编码方式和三个核苷酸来编码一个字符的三联体编码方式。

3.如权利要求2所述的基于重组DNA技术对信息进行加密与隐藏的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下步骤：

A、选取一条载体DNA序列和一个随机产生的递增整数序列A作为载体序列的位置信息；选取一条DNA参考序列和一个随机产生的递增整数序列B作为参考序列的位置信息；

B、设计单映射规则表，该规则表根据参考序列K及其位置信息B、载体序列S及其位置信息A和加密信息M′得到伪序列S′中的秘密信息；或者根据参考序列K及其位置信息B、伪序列S′及其位置信息A和加密信息M′得到载体序列S；

C、根据所构建的单映射规则表，定义转换函数来隐藏秘密信息；

D、根据转换函数和位置信息序列A、B，将所述编码后的碱基序列隐藏到载体DNA序列的指定位置，没有隐藏信息的位置随机分配碱基，得到伪装DNA序列。

4.如权利要求3所述的基于重组DNA技术对信息进行加密与隐藏的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述伪装DNA序列对DNA质粒载体中其他基因不构成干扰。

5.权利要求1～4所述加密与隐藏的方法在认证或者签名技术中的应用。