DE602004007474T2

DE602004007474T2 - Ein Nukleinsäure-basierendes steganografisches System und dessen Anwendung

Info

Publication number: DE602004007474T2
Application number: DE602004007474T
Authority: DE
Inventors: Benjamin Chung-Ho City Liang
Original assignee: Rixflex Holdings Ltd
Current assignee: APDN BVI Inc
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2024-08-04
Also published as: KR100679484B1; ATE366825T1; KR20050025256A; EP1568783A3; MY135976A; EP1568783A2; DE602004007474D1; EP1568783B1; CN1580277A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine auf Nukleinsäure basierende Steganographietechnik, die vordefinierte Nachrichten verschlüsseln und entschlüsseln kann. Insbesondere betrifft das Verfahren der Erfindung das Teilen der von einer Nukleinsäure verschlüsselten Nachricht in eine Vielzahl von Bruchstücken und das anschließende Anwenden eines Verschlüsselungsvorgangs, durch mehrfache Verschlüsselungsschritte auf diese Bruchstücke, die mit dem entsprechende Entschlüsselungsverfahren entschlüsselt werden können.
2. Stand der Technik
Daten können mittels einiger spezieller Verschlüsselungstechniken oder geheimer Schlüssel zum Verstecken oder Übertragen verborgen werden, die nur durch befugte aber nicht andere Personen entschlüsselt werden können. Die korrekten Daten können auf privatem Wege entschlüsselt werden, um die Daten zu entsperren.
Nukleinsäure ist das Schlüsselinformationsmolekül im lebenden System, da sie die Verschlüsselungsdaten trägt, die jeden Organismus eindeutig identifizieren. Ein Nukleinsäuremolekül besteht aus vier Basen und bildet ein langkettiges Makromolekül, die Anordnung der Basen ist dem Wesen nach wie eine Geheimbotschaft. Die Sequenz eines Nukleinsäuremoleküls kann nach einigen spezifischen Gestaltungen und Behandlungen als ein unverwechselbares Kennzeichen verwendet werden. Die Anwendung lässt sich ausweiten, wenn eine spezielle Verschlüsselungstechnik mit der Nukleinsäuresequenz durchgeführt wird. Die Nukleinsäure-Kennzeichen können in essbaren Materialien platziert werden, in Tabletten gepresst werden (wie in den Formen einer Kapsel, einer Filmtablette oder einer Pastille) oder in die Oberfläche der Pille, die als Reformkost oder von der pharmazeutischen Industrie bereitgestellt wird. Darüber hinaus können Nukleinsäure-Kennzeichen in der Lebensmittelverpackung (wie der inneren Auskleidung von Aluminiumschachteln, Abdeckungen von Umverpackungsschachteln oder Flaschen) markiert oder verborgen werden.
Die Anwendbarkeit von Nukleinsäure-Kennzeichen oder -Anhängseln geht sehr weit. Diese Nukleinsäure-Kennzeichen werden beispielsweise zusammen mit anderen Materialien wie Farbstoffen, Klebstoff oder Harz üblicherweise Druckfarben zugesetzt, um eine fälschungssichere Druckfarbe mit eingebetteter Nukleinsäure herzustellen. Sie können auch als Fleck hinter der Dollarstelle aufgetragen werden, als Fluoreszenzaufdruck und als Mikrodruck, um den Anforderungen verschiedener Produkte gerecht zu werden, indem sie die vordefinierten Nachricht im gedruckten Produkt verbergen.
Auf Nukleinsäuren basierende Steganographietechniken haben die folgenden Vorteile: es werden sehr geringe Mengen an Nukleinsäure benötigt, niedrige Kosten und Nukleinsäure kann in Druckfarbe, zur Verwendung beim Drucken, einbezogen werden und kann in vielen Druckbetrieben eingesetzt werden. Sie kann zum Beispiel für wichtige und vertrauliche Geschäftsdokumente verwendet werden, für Sparbücher oder solche Dokumente wie Aktienurkunden, Schecks, Anleihepapiere der Papierwährung der Finanzbranche, Mitgliedskarten und Coupons von Warenhäusern oder Clubs, Gemälde oder Skulpturen oder andere handgefertigte Kunsthandwerksgegenstände, sowie andere Anwendungen wie Lotterielose, Briefmarken, Zollkennungen, Textilprodukte, Fasern, Stoffe, Färbemittel usw.
Verfahren, die Nukleinsäuren zum Verschlüsseln verborgener Nachrichten einsetzen, können auch in lebenden Organismen oder jedweden Organismen eingesetzt werden, um biotechnologische Produkte wie wichtige Pflanzen, Impfstoffe und Tiere, solche von hohem wirtschaftlichen Wert, zu schützen.
Ein Hersteller oder ein Unternehmen kann einen Gegenstand als echt oder gefälscht mittels Nukleinsäure-Steganographie unterscheiden, um zu erkennen, ob der Gegenstand aus eigener Produktion oder Diebesbeute ist. Diese Technik kann daher für fälschungssichere Produkte oder Einstufung als gefälschtes Produkt verwendet werden, sowie zum Verbergen oder Übertragen einiger zuvor definierter Nachrichten.
Es gibt mehrere Techniken, um Nukleinsäuresequenzen zum Verschlüsseln verborgener Nachrichten zu verwenden. US Patent 6,312,911 offenbart zum Beispiel eine Technik für DNA-basierte Steganographie. Zuerst erzeugt das US-Patent einen Chiffrierschlüssel. Gemäß diesem Schlüssel wird ein Geheimbotschafts-DNA-Strang erstellt, der eine Nachricht enthält, die in DNA verschlüsselt ist, und die wirkliche DNA wird synthetisiert. Der Geheimbotschafts-DNA-Strang wird dann innerhalb der enormen Komplexität an fragmentierter humaner genomischer DNA verborgen. Des Weiteren offenbart das US-Patent ein Entschlüsselungsverfahren. Der Geheimbotschafts-DNA-Strang wird von Primersequenzen flankiert (DNA-Anhängsel), die ein Dechiffrierschlüssel ist, der nur dem Absender und dem vorgesehenen Empfänger bekannt ist. Die geheime Nachricht kann mit dem Chiffrierschlüssel wiederhergestellt werden, nachdem die Kenntnis der Primersequenzen eingesetzt wird, um spezifisch durch PCR den Geheimbotschafts-DNA-Strang zu amplifizieren. Und die DNA-Sequenz wird durch Analyse bestimmt.
Berechnende Fälscher oder Leute, die vorhaben, Geheimnisse zu stehlen, können die Primer, die für die DNA Amplifikation nötig sind, durch die ausgereifte PCR-Technologie erraten, um den Code direkt oder indirekt zu brechen. Beispielsweise können, durch Fachleute auf dem Gebiet der Molekularbiologie, Zufallsprimer eingesetzt werden, um Hintergrundrauschen zu entfernen, und subtrahierende PCR-Technik kann eingesetzt werden, um die Wahrscheinlichkeit, den geheimen Code zu finden, zu erhöhen. Außerdem sind die gesamten Gensequenzen mehrerer lebender Organismen seit dem Jahre 2002 bestimmt worden und die analytische Arbeitsweise von Computern wird immer mächtiger. Die verborgenen Nachrichten können aufgedeckt werden, sobald die Nukleotidsequenzen mit Sequenzen in der Gendatenbank verglichen und abgeglichen werden.
Um den zuvor beschriebenen Problemen zu begegnen, ist ein ausgeklügelteres Verfahren notwendig, um die verschlüsselte Nachricht davor zu schützen, während der Übertragung oder eines Vorgangs einer Verschlüsselungsuntersuchung gestohlen zu werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Um das Problem der oben beschriebenen Technik zu lösen, setzen die Erfinder eine Mehrfachverschlüsselungstechnik ein, um sicherzustellen, dass die Geheimbotschaften durch mehrere Sicherheitsschichten geschützt sind und dass die verborgenen Nachrichten für Wirtschaftsspione und Fälscher schwierig zu entschlüsseln sind. Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein auf Nukleinsäure basierendes Verschlüsselungsverfahren zur Verfügung zu stellen, um verborgene Nachrichten zu verschlüsseln. Zu allererst wird die verborgene Nachricht gemäß einer vorbestimmten Chiffriertabelle erstellt und als Geheimbotschafts-Nukleinsäurestrang synthetisiert. Dieser Nukleinsäurestrang wird nach Aufteilen in eine Vielzahl von Bruchstücken verborgen, was die Wahrscheinlichkeit, den Code zu knacken, sehr klein macht.
Zu Arbeitsabläufen, die im Verschlüsselungsverfahren der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt werden, zählen:

(a) eine vorbestimmte „Chiffriertabelle" wird eingesetzt, um die Geheimbotschaft in eine entsprechende Originalnukleinsäuresequenz umzuwandeln,
(b) das Molekül dieser Originalnukleinsäuresequenz wird in eine Vielzahl von Nukleinsäurebruchstücken geteilt und dann wird die Nukleotidsequenz jedes Nukleinsäurebruchstücks erhalten,
(c) vorbestimmte Oligomere werden zur Sequenzanalyse an jedes der 5' oder 3'-Enden der Nukleinsäurebruchstücke ligiert, die jeweils in Schritt (b) beschrieben sind, um zu den ersten ligierten Produkten zu werden. Diese Oligomere zur Sequenzanalyse werden verwendet werden, um einen Sequenzierungsprimer während der Sequenzanalyse des Entschlüsselungsvorganges zu komplettieren,
(d) mindestens ein Paar von vorbestimmten Oligomeren zur Sequenzerkennung wird an jedes der 5' und 3'-Enden des ersten ligierten Produktes, das jeweils aus Schritt (c) gewonnen wurde, ligiert, um zu den zweiten ligierten Produkten zu werden. Diese Paare von Oligomeren zur Sequenzerkennung werden verwendet werden, um PCR-Primer während der PCR-Reaktion des Entschlüsselungsvorganges zu komplettieren, und
(e) die zweiten gekoppelten Produkte werden ins Innere eines Mediums verbracht und auch in diesem Medium verborgen.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein Dechiffrierungsverfahren bereitzustellen, das dem zuvor beschriebenen Verschlüsselungsverfahren entspricht.
Arbeitsabläufe, die in dem Entschlüsselungsverfahren der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, umfassen die Schritte:

(i) Isolieren von Nukleinsäuremolekülen aus einem Medium in einem Ziel, die zu dechiffrieren gewünscht ist,
(ii) Durchführen einer PCR-Reaktion mit einem Paar an Primern, die an einem vorbestimmten Oligomer für eine Sequenzerkennung entsprechen, dass in einem Verschlüsselungsverfahren verwendet wurde, um amplifizierte PCR-Produkte zu erhalten, die ein gestückeltes Nukleotid enthalten,
(iii) Durchführen einer Sequenzanalyse mit einem Sequenzierungsprimer, der einem vorbestimmten Oligomer für eine Sequenzanalyse entspricht, der in einem Verschlüsselungsverfahren verwendet wurde, um die gestückelten Nukleotidsequenzen des PCR-Produktes zu bestimmen, das aus Schritt (ii) erhalten worden ist,
(iv) Bestimmen der Reihenfolge jeder der gestückelten Nukleotidsequenzen,
(v) Herausfinden der Originalnukleotidsequenz gemäß den Informationen aus Schritt (iii) Schritt (iv),
(vi) Dechiffrieren der vordefinierten Nachricht, die der Originalnukleotidsequenz entsprach, nach Verschlüsselungsanalyse auf der vorbestimmten Chiffriertabelle.

Das DNA-Molekül kann als ein Beispiel genommen werden. DNA besteht aus vier Nukleotidbasen, die Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) oder Thymin (T) aufweisen. Fachleute können die Basen in einer spezifischen Reihenfolge anordnen, um eine spezielle Bedeutung zu repräsentieren, um eine Geheimbotschaft in eine DNA-Sequenz zu verschlüsseln.
In der vorliegenden Erfindung wird eine Geheimbotschaft gemäß einer vorbestimmten Chiffriertabelle in eine Originalnukleinsäuresequenz verschlüsselt, wodurch die Geheimbotschaft in der Originalnukleinsäuresequenz verborgen wird. Diese Chiffriertabelle kann durch die Anwender erstellt werden, durch den bekannten Moss-Schlüssel oder den Chiffrierschlüssel, der in US Patent 6,312,911 beschrieben ist.
Es gibt zwei Möglichkeiten eines Verschlüsselungsvorgangs, der in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Jedes DNA-Fragment kann künstlich synthetisiert und entsprechend verschlüsselt werden. Oder die Original-DNA-Sequenz kann zunächst in voller Länge synthetisiert werden und wird dann in eine Vielzahl von Nukleinsäurebruchstücken geteilt. Anschließend wird die Verschlüsselung jedes Bruchstücks durchgeführt.
Darüber hinaus gibt es für die Oligomere zur Sequenzanalyse, die im Verschlüsselungsverfahren verwendet werden, keine Begrenzung. Oligomere zur Sequenzanalyse können für jedes Nukleinsäurebruchstück die gleichen sein oder verschieden sein und die Oligomere können entweder an das 5'-Ende oder an das 3'-Ende der Nukleinsäurebruchstücke ligiert werden.
Um die Entschlüsselungsschwierigkeit zu erhöhen, kann mindestens eine der bedeutungslosen Pseudosequenzen ligiert werden, nachdem das Oligomer zur Sequenzanalyse an die fragmentierte Nukleinsäure ligiert ist. Weitere Daten werden nötig sein, um die Geheimbotschaft zu entschlüsseln, wenn mehrere Pseudosequenzen vorhanden sind. Je komplizierter der Vorgang ist, desto mehr nimmt die Schwierigkeit zu, den Code zu knacken. Dadurch wird mit dem mehrfachen Chiffriervorgang ein Sicherheitsgrad sichergestellt, der die Wahrscheinlichkeit, entschlüsselt zu werden, weitgehend vermindert.
Andererseits können die zweiten ligierten Produkte in Vektoren eingefügt werden. Diese Vektoren können für jedes zweite ligierte Produkt die gleichen oder voneinander verschieden sein. Zusätzlich können verschiedene zweite ligierte Produkte in verschiedene Stellen eines Vektors eingefügt werden, wenn dieser Vektor groß genug ist. Diese Nachrichten enthaltenden Vektoren können direkt oder nach Mischen mit anderer genomischer DNA in reservierte Medien überführt werden, um die Wahrscheinlichkeit, entschlüsselt zu werden, zu vermindern.
Materialien der Medien, die in der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, werden nicht spezifiziert, und es zählen zu ihnen Papier, Glas, Plastik, eine Nitrozelluloseschicht, Polykarbonsäureester, eine Nylonschicht oder Textilien usw. Und die zuvor beschriebenen zweiten ligierten Produkte können in dem gleichen oder einem anderen Medium verborgen werden.
Im Vorgang der Entschlüsselung können die Dechiffrierschlüssel so gestaltet sein, dass sie in mehreren verschiedenen Ausführungsformen vorliegen, um entsprechend dem Bedarf der Anwender die Schwierigkeit zu erhöhen, den Code zu knacken.
Im Folgenden wird ein Glossar in dieser Erfindung verwendeter Begriffe aufgestellt, um die Erklärung klarer zu machen.
"Originalnukleinsäuresequenz" bezeichnet eine Nukleinsäuresequenz, die gemäß der in einer vorbestimmten „Chiffriertabelle" spezifizierten Bedeutung verschlüsselt ist.
"Gestückelte DNA-Sequenz" bezeichnet eine Teilsequenz, die nach Aufteilen aus der Originalnukleinsäuresequenz erhalten wurde.
"Oligomer zur Sequenzanalyse" bezeichnet ein Oligomer, das verwendet werden kann, um die Sequenz der gestückelten Nukleinsäure während des Entschlüsselungsvorganges zu analysieren.
"Erstes ligiertes Produkt" bezeichnet ein ligiertes Produkt von Nukleinsäurebruchstücken, nachdem sie mit den Oligomeren zur Sequenzanalyse an jedem der 5' bzw. 3'-Enden ligiert wurde.
"Oligomer zur Sequenzerkennung" bezeichnet ein Oligomer, das verwendet werden kann, um die Stellen der gestückelten Nukleinsäure und bei der Amplifikation der PCR-Reaktion zu erkennen.
"Zweites ligiertes Produkt" bezeichnet ein ligiertes Produkt des ersten ligierten Produktes, nachdem es mit dem Oligomer zur Sequenzerkennung an sowohl dem 5' als auch dem 3'-Ende ligiert worden ist. Das erste ligierte Produkt kann mindestens eine der Pseudosequenzen enthalten, nachdem es mit dem Oligomer zur Sequenzerkennung ligiert worden ist.
"Pseudosequenz" bezeichnet eine Sequenz ohne Bedeutung, die verwendet wird, um die Analyse der gestückelten Nukleinsäuresequenz oder Originalnukleinsäuresequenz zu stören. Die Komplexheit der Dechiffrierung wird dadurch erhöht.
"Oligomer zur Anordnung der Reihenfolge" bezeichnet ein Oligomer, das verwendet werden kann, um die gestückelten Nukleinsäuresequenzen während der Entschlüsselung in der richtigen Reihenfolge anzuordnen.
"Dechiffrierschlüssel" bedeutet eine Information, die nötig ist, um den Code der Originalnukleinsäuresequenz zu brechen.
Die vorliegende Erfindung wird des Weiteren in der folgenden Ausführungsform zur Veranschaulichung und den Beispielen erläutert.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
1 zeigt ein Diagramm der Teilung der Originalnukleinsäuresequenz in gestückelte Nukleinsäuresequenzen.
2 zeigt das Anfügen von 5'-Enden Oligomer zur Sequenzanalyse inklusive dem Ligieren von Oligomeren zur Sequenzanalyse, Pseudosequenzen, 5'-Enden- und 3'-Enden-Oligomeren zur Sequenzerkennung und Klonieren in einen ausgewählten Vektor. Gestrichelte Linien stellen Pseudosequenzen dar, Wellenlinien stellen die Vektorsequenz dar.
3 das Diagramm des Zufügens von 3'-Enden-Oligomeren zur Sequenzanalyse inklusive dem Ligieren von Oligomeren zur Sequenzanalyse, Pseudosequenzen, 5'-Enden- und 3'-Enden-Oligomeren zur Sequenzerkennung und Klonieren in einen ausgewählten Vektor. Gestrichelte Linien stellen Pseudosequenzen dar, die Schlangenlinie stellt die Vektorsequenz dar.
4 zeigt das Diagramm der PCR-Reaktion und von PCR-Produkten nach dem Zugeben des ersten Dechiffrierschlüssels (komplementäre Sequenz eines Oligomers zur Sequenzerkennung, PCR-Primer) während des Dechiffriervorganges.
5 zeigt das Diagramm der Sequenzanalyse mit PCR-Produkten nach Zugabe eines zweiten Dechiffrierschlüssels (komplementäre Ssequenz eines Oligomers zur Sequenzanalyse, Sequenzierungsprimer) während des Dechiffriervorganges.
6 zeigt das Diagramm des Anordnens der Reihenfolge mit Hilfe von Oligomeren zum Anordnen der Reihenfolge als dem dritten Dechiffrierschlüssel.
7 zeigt das Diagramm eines Dechiffriervorganges mittels eines Oligomers zum in Reihenfolgebringen als einem dritten Dechiffrierschlüssel und einem digitalen Basenhäufigkeitscode als einem vierten Dechiffrierschlüssel.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Hier werden die bevorzugten Ausführungsformen und die bevorzugten Verfahren beschrieben.
Beispiel 1: Verschlüsselung einer vorbestimmten Nachricht gemäß den in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren
Nehmen sie nun an, dass ein Hersteller eine Kennzeichnung "Made in BWL" in einem seiner Produkte verbergen will, um zu verhindern, dass sein Produkt gefälscht wird. Dieser Hersteller kann die Nachricht "Made in BWL" in eine Originalnukleinsäure sequenz gemäß einer erstellten Chiffriertabelle umwandeln. Zur einfachen Erklärung wird ein Beispiel genommen: Nehmen sie an, "Made in BWL" wird in eine DNA-Sequenz "agcttgcgctccgatgca" (SEQ ID NO: 1) gemäß der Chiffriertabelle codiert.
Als Nächstes wird wie in 1 gezeigt "agcttgcgctccgatgca" in drei Bruchstücke von gestückelten DNA-Sequenzen geteilt, wie "agct" (SEQ ID NO: 2), "tgcgct" (SEQ ID NO: 3) und "ccgatgca" (SEQ ID NO: 4). Es gibt zwei Möglichkeiten, die gestückelten DNA-Sequenzen zu erhalten. Jedes DNA-Bruchstück kann jeweils mittels einer DNA-Synthetisiermaschine künstlich synthetisiert werden, oder die Original-DNA-Sequenz kann in voller Länge synthetisiert werden und in die gewünschten DNA-Bruchstücke gemäß den bekannten Techniken geteilt werden.
Die gestückelten DNA-Sequenzen werden gemäß den folgenden Schritten verschlüsselt. Wie in 2 oder 3 gezeigt, wird ein Oligomer zur Sequenzanalyse "atcaatacttataatttggtt" (SEQ ID NO: 5) an das 5'-Ende oder das 3'-Ende der gestückelten DNA-Sequenz (SEQ ID NO: 2) ligiert, um ein erstes ligiertes Produkt zu bilden. Eine Pseudosequenz kann in das 5'-Ende (2) oder das 3'-Ende (3) des ersten ligierten Produktes ligiert werden, um die Komplexität der Originalsequenz zu erhöhen und sie davor zu schützen, entschlüsselt zu werden. Als Nächstes werden ein 5'-Enden-Oligomer zur Sequenzerkennung "gcgcgctaat aactacacattta" (SEQ ID NO: 6) sowie ein 3'-Enden-Oligomer zur Sequenzerkennung "cccgggctcttatatatttcaattt" (SEQ ID NO: 7) an das erste ligierte Produkt ligiert, um ein zweites ligiertes Produkt zu erhalten. Im nachfolgenden Schritt wird das zweite ligierte Produkt in einen ausgewählten Vektor kloniert. Der Rest der gestückelten DNA-Sequenzen kann auf die gleiche Weise behandelt werden. Dann werden alle zweiten ligierten Produkte vereinigt und mit einem ausgewählten Medium vermischt und daher die DNA-kodierte Nachricht weiter in einem Medium verborgen.
Im zuvor beschriebenen Verschlüsselungsvorgang kann jedes Produkt mittels PCR-Technik zur nötigen Menge amplifiziert werden, nachdem das 5'-Enden- und das 3'-Enden-Oligomer zur Sequenzerkennung ligiert worden sind. Die Produkte können, wie in 2 und 3 gezeigt, mit Hilfe von Gentechnik, inklusive der Anwendung von Restriktionsenzymen oder der Behandlung von zusammenhängenden Enden usw. in einen DNA-Vektor eingefügt werden. Diese Techniken sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Molekularbiologie gut bekannt und werden routinemäßig durchgeführt.
Es soll erkannt werden, dass die Original-DNA-Sequenz von 18 Basen wie oben gezeigt ein Beispiel ist, das zur kurzen Erläuterung benutzt wurde. In der Praxis ist der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
Die gestückelten DNA-Sequenzen, die nach dem Aufteilen der Geheimbotschafts-DNA erhalten wurden, können eine Länge von 4 bis 1000 Basen haben, bevorzugterweise eine Länge von 20 bis 500 Basen und am bevorzugtesten eine Länge von 50 bis 150 Basen.
Die Oligomere zur Sequenzanalyse, entweder die gleichen oder voneinander verschieden, können eine Länge von 4 bis 100 Basen, bevorzugterweise eine Länge von 10 bis 50 Basen und am bevorzugtesten eine Länge von 10 bis 30 Basen haben.
Die Pseudosequenzen können eine Länge von 4 bis 100 Basen, bevorzugterweise eine Länge von 10 bis 50 Basen und am bevorzugtesten eine Länge von 10 bis 30 Basen haben.
Die 5'-Enden oder 3'-Enden Oligomere zur Sequenzerkennung, die entweder gleich oder voneinander verschieden sind, können eine Länge von 4 bis 100 Basen, bevorzugterweise eine Länge von 10 bis 50 Basen und am bevorzugtesten eine Länge von 10 bis 30 Basen haben.
Wie oben beschrieben, macht es der Verschlüsselungsvorgang der vorliegenden Erfindung sehr schwierig, die verschlüsselten Daten zurück in die Originalbotschaft umzuwandeln, wenn es an Daten über die Oligomere zur Sequenzanalyse und die 5'-Enden oder 3'-Enden Oligomere zur Sequenzerkennung mangelt.
Solche zweiten ligierten Produkte oder Vektoren, die die zweiten ligierten Produkte tragen, können mit nicht störender genomischer DNA oder zufällig synthetisierter DNA in großem Maße gemischt werden und das Gemisch kann in ein Medium überführt werden, um für Code-knackende Techniken die Schwierigkeit zu erhöhen. Sie auf diese Weise zu vermischen erzeugt Verwirrung, was es noch schwieriger macht, die Geheimbotschaft zu identifizieren.
Im Vergleich zum US Patent 6,312,911 , das 3 × 10⁹ Basenpaare humaner genomischer DNA verwendet, um die Nachricht zu verbergen und um die Wahrscheinlichkeit des Decodierens zu verringern, ist das auf Nukleinsäuren basierende Steganographiesystem, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, praktischer und enthält mehr Vertraulichkeit, da die Nachricht in eine Vielzahl kleiner Stücke geteilt werden kann und durch andere kurze Pseudosequenzen durcheinander gebracht werden kann.
Beispiel 2: Dechiffrieren gemäß den in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren
Im Folgenden wird das Dechiffrierverfahren beschrieben, das verwendet wird, um die oben beschriebene Verschlüsselungstechnik in Beispiel 1 zu brechen.
Wie in 4 gezeigt, werden die DNA-Moleküle aus dem Medium isoliert. Die PCR-Primer, die zu den 5'-Enden- oder 3'-Enden-Oligomeren zur Sequenzerkennung in Beispiel 1 komplementär sind, werden in der PCR-Reaktion eingesetzt, um die Geheimbotschafts-DNA aus dem DNA-Fundus herauszufischen. Diese PCR-Primer sind die ersten Dechiffrierschlüssel und die amplifizierten Produkte sind PCR-Produkt 1, PCR-Produkt 2 und PCR-Produkt 3.
Es wird mit Sequenzierungsprimern, die zu den Oligomeren zur Sequenzanalyse in Beispiel 1 komplementär sind, eine Sequenzanalyse von PCR-Produkt 1, PCR-Produkt 2 und PCR-Produkt 3 durchgeführt. Diese Sequenzierungsprimer sind die zweiten Dechiffrierschlüssel und die Sequenzierungsreaktion wird entweder mit einem herkömmlichen DNA-Sequenziergerät oder durch Pyrosequenzanalyse durchgeführt.
Was verstanden werden muss, ist, dass die PCR-Produkte inklusive PCR-Produkt 1, PCR-Produkt 2 und PCR-Produkt 3 die Sequenzen der 3'-Enden-Oligomere zur Sequenzerkennung, gestückelte DNA-Sequenzen, die Teilsequenzen der Originalsequenzen sind, Oligomere zur Sequenzanalyse, Pseudosequenzen und 5'-Enden Oligomere zur Sequenzerkennung enthalten. Die gestückelten DNA-Sequenzen können bestimmt werden, wenn all die Daten der Oligomeren zur Sequenzanalyse, Pseudosequenzen und 5'-Enden-Oligomeren zur Sequenzerkennung entfernt werden. Außerdem werden andere Sequenzen nicht analysiert werden, wenn die Sequenzanalyse bis zum Ende der gestückelten DNA-Sequenz oder Oligomeren zur Sequenzerkennung angehalten wird. Und es ist nur erforderlich, die Daten der Oligomere zur Sequenzerkennung zu entfernen, um die Sequenz der gestückelten DNA zu erhalten.
Nachdem die Sequenzen der gestückelten DNA bekannt sind, sollten die gestückelten DNA-Sequenzen in der richtigen Reihenfolge angeordnet werden, um die vollständige Original-DNA-Sequenz zu entschlüsseln. Die Oligomere zur Erstellung der Reihenfolge werden nach vorbestimmten Regeln erzeugt, die aus der Original-DNA-Sequenz abgeleitet wurden und werden daher als zusätzliche Dechiffrierschlüssel eingesetzt, um während des Dechiffriervorganges die Codes zu brechen.
Wie in 6 gezeigt, ist die Zahl der Oligomere zur Anordnung der Reihenfolge um 1 niedriger als die Zahl der DNA-Bruchstücke. Die Oligomere zum Anordnen der Reihenfolge, die als ein dritter Dechiffrierschlüssel verwendet werden, werden eingesetzt, um die Einordnung jedes DNA-Fragments sicherzustellen. Die Dechiffrierschlüssel können wie im folgenden Beispiel beschrieben hergestellt werden: Die zweiten Basen des 3'-Endes von SEQ ID NO: 2 werden mit den dritten Basen vom 5'-Ende von SEQ ID NO: 3 kombiniert, um einen dritten Dechiffrierschlüssel 1 "cttgc" (SEQ ID NO: 8) zu erzeugen und die dritten Basen aus dem 3'-Ende von SEQ ID NO: 3 wird mit den dritten Basen aus dem 5'-Ende von SEQ ID NO: 4 kombiniert, um einen dritten Dechiffrierschlüssel 2 "gctccg" (SEQ ID NO: 9) zu erzeugen. Wer die Daten des dritten Dechiffrierschlüssels kennt, kann daher die gestückelten DNA-Sequenzen während des Dechiffrierens in der richtigen Reihenfolge anordnen, um die verschlüsselte Geheimbotschaft zu erhalten.
Ein anderer Aufbau zum Anordnen der Reihenfolge ist in 7 gezeigt. Die sich wiederholenden Basen im DNA-Strang im dritten Dechiffrierschlüssel 3 "agctgcgctcgatgca" (SEQ ID NO: 10) werden nur einmal gezeigt. Die Häufigkeit jeder Base, die in der Original-DNA-Sequenz wiedergegeben wird, wird als entsprechender digitaler Basenhäufigkeitscode als vierter Dechiffrierschlüssel "1112111112111111" gezeigt. Der digitale Code, der in 7 gezeigt ist, stellt dar, dass die Häufigkeit der vierten und der zehnten Basen verdoppelt sind, während alle anderen Basen nur einmal auftreten. Auf diese Weise kann die Reihenfolge und die Häufigkeit der Basen während des Dechiffrierens postuliert werden, um die geheime verschlüsselte Nachricht zu erhalten.
Wenn die Original-DNA-Sequenz bestimmt wird, wird der DNA-Strang, der der Geheimbotschaft entspricht, nach Krypto graphieanalyse nach der vorbestimmten Chiffriertabelle dechiffriert.
Wie in der vorangehenden Erklärung und in vorangehenden Beispielen beschrieben, werden die Oligomere zur Sequenzanalyse und die Oligomere zur Sequenzerkennung in der vorliegenden Erfindung im Voraus entworfen. Es gibt daher keine Möglichkeit, die PCR-Reaktion und die Sequenzanalyse durchzuführen, wenn diese Oligomeren unbekannt sind. Die verschlüsselte Geheimbotschaft kann ohne Kenntnis der Sequenzierungsprimer nicht entschlüsselt werden, auch wenn man beabsichtigenderweise Zufallsprimer benutzt, um DNA in zufälliger Weise oder aus genomischer DNA zu synthetisieren.
Zusätzlich muss ein Codeknacker all die Sequenzen der Oligomere zur Sequenzanalyse und der Oligomere zur Sequenzerkennung kennen, um die Original-DNA-Sequenz zu dechiffrieren, da die Volllängen-DNA in mehrere Bruchstücke geteilt ist. Und selbst wenn die zuvor erwähnten Oligomere bekannt sind, kann die Original-DNA-Sequenz noch immer nicht entschlüsselt werden, wenn die Oligomere zum Anordnen der Reihenfolge nicht bekannt sind. Im Vergleich zu den bisherigen DNA-Steganographietechniken wird daher das Sicherheitsniveau durch diesen mehrfachen Verschlüsselungsvorgang sichergestellt.
Andererseits können die Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsverfahren, die die vorliegende Erfindung bereitstellt, bei der Leitung der Zulieferkette eingesetzt werden, inklusive verschiedener Niveaus der Leitung bei der Produktion, der Logistik und Qualitätskontrolle von Gütern. Beispielsweise kann das Hauptquartier eine spezifische DNA-basierte Nachricht entwerfen und sie in verschiedene Stücke teilen. Diese DNA-Stücke können in Produkte oder Vorprodukte verschiedener Stadien eingefügt werden. Der erste Dechiffrierschlüssel kann an eine Qualitätskontrolleinheit ausgegeben werden, um auszuwerten, ob ein bestimmtes PCR-Produkt existiert und um den problematischen Vorgang zu finden.
Des Weiteren können die ersten Dechiffrierschlüssel anfänglich benutzt werden, um die PCR-Reaktion durchzuführen, um sofort echte Produkte von gefälschten Produkten zu unterscheiden. Zur Bestätigung kann der zweite Dechiffrierschlüssel verwendet werden, um die gestückelten DNA-Sequenzen herauszufinden. Schließlich können die dritten Dechiffrierschlüssel oder sogar die vierten Dechiffrierschlüssel verwendet werden, um die Anordnung jedes DNA-Fragmentes zu enträtseln, um weiter zu bestätigen, dass das Produkt echt ist.
Die obigen Beispiele sollten jedoch nicht als den Umfang der Erfindung eingrenzend aufgefasst werden, der nur durch den Umfang der folgenden Ansprüche definiert ist. SEQUENZPROTOKOLL

Claims

Auf Nukleinsäure basierendes Verschlüsselungsverfahren, das die Schritte umfasst: (a) Umwandeln einer vordefinierten Nachricht in eine entsprechende Original-Nukleinsäuresequenz gemäß einer vorbestimmten Chiffriertabelle, (b) Teilen der Original-Nukleinsäuresequenz in eine Vielzahl von Bruchstücken und erhalten der gestückelten Nukleinsäuresequenzen jedes Bruchstücks, (c) Ligieren mindestens eines vorbestimmten Oligomers für eine Sequenzanalyse an jedes der 5'- oder 3'-Enden der gestückelten Nukleotidsequenzen, um zu ersten ligierten Produkten zu werden, und die Oligomere für eine Sequenzanalyse werden während einer Sequenzanalyse des Dechiffrierungsprozesses einem Komplementieren an Sequenzierungsprimer unterzogen, (d) Ligieren mindestens eines Paars von vorbestimmten Oligomeren für eine Sequenzerkennung an jedes der 5'- und 3'-Enden des ersten ligierten Produktes aus Schritt (c), um zu zweiten ligierten Produkten zu werden, und die Paare von Oligomeren für eine Sequenzerkennung werden verwendet, um während der PCR-Reaktion des Dechiffrierungsprozesses an PCR-Primer zu komplementieren, und (e) Einbringen des zweiten ligierten Produktes aus Schritt (d) in ein Medium, und auch verbergen im Medium.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (b) synthetisieren der gestückelten Nukleotidsequenzen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (b) synthetisieren der vollen Länge der Original-Nukleotidsequenz und aufteilen der Originalsequenz in gewünschte Bruchstücke umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oligomere für eine Sequenzanalyse, die in Schritt (c) an die gestückelte Nukleotidsequenz ligiert werden, zu einander gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 1, das zusätzlich ligieren mindestens einer Pseudosequenz an mindestens ein Ende der ersten ligierten Produkte in Schritt (c) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das zusätzlich klonieren der zweiten ligierten Produkte in Schritt (d) in Nukleotidvektoren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Nukleotidvektoren, um die zweiten ligierten Produkte zu klonieren, zu einander gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Nukleotidvektoren, um die zweiten ligierten Produkte zu klonieren, voneinander verschieden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, das zusätzlich mischen der zweiten ligierten Produkte in Schritt (d) mit genomischen DNAs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Medium aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Papier, Glas, Plastik, einer Nitrozelluloseschicht, Polykarbonatester, einer Nylonschicht und Textilien besteht.
Auf Nukleinsäure basierendes Dechiffrierungsverfahren, das die Schritte umfasst: (i) Isolieren von Nukleinsäuremolekülen aus einem Medium in einem Ziel, die zu dechiffrieren gewünscht ist, (ii) Durchführen einer PCR-Reaktion mit einem Paar an Primern, die einem vorbestimmten Oligomer für eine Sequenzerkennung entsprechen, das in einem Verschlüsselungsverfahren verwendet wurde, um amplifizierte PCR-Produkte zu erhalten, die ein gestückeltes Nukleotid enthalten, (iii) Durchführen einer Sequenzanalyse mit einem Sequenzierungsprimer, der einem vorbestimmten Oligomer für eine Sequenzanalyse entspricht, der in einem Verschlüsselungsverfahren verwendet wurde, um die gestückelten Nukleotidsequenzen des PCR-Produktes zu bestimmen, das aus Schritt (ii) erhalten worden ist, (iv) Bestimmen der Reihenfolge jeder gestückelten Nukleotidsequenzen, (v) Herausfinden der Original-Nukleotidsequenz gemäß der Informationen aus Schritt (iii) Schritt (iv) (vi) Dechiffrieren der vordefinierten Nachricht, die der Originalnukleotidsequenz entsprach, nach Verschlüsselungsanalyse auf der vorbestimmten Chiffriertabelle.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt (iv) erhalten von Informationen zum Bestimmen der Reihenfolge jeder gestückelten Nukleotidsequenz umfasst, was mindestens eins von vorbestimmten Oligomeren zur Anordnung der Reihenfolge umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Oligomere zur Anordnung der Reihenfolge nach vorbestimmten Regeln gestaltet sind, die aus der Original-Nukleotidsequenz hergeleitet sind.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Oligomere zur Anordnung der Reihenfolge gemäß den Schritten hergestellt sind: (A) Erhalten einer Mehrzahl von Basen am 3'-Ende einer vorherigen gestückelten Nukleotidsequenz zwischen zwei aneinander angrenzenden gestückelten Nukleotidsequenzen, (B) Erhalten einer Mehrzahl von Basen am 5'-Ende einer letzteren gestückelten Nukleotidsequenz zwischen zwei aneinander angrenzenden gestückelten Nukleotidsequenzen, (C) Kombinieren der aus Schritt (A) und Schritt (B) erhaltenen Basen, um ein Oligomer zur Anordnung der Reihenfolge zu bilden, (D) Wiederholen der Schritte von (A) bis (C), bis alle Oligomere zur Anordnung der Reihenfolge erstellt sind, wobei die Zahl der Oligomere zur Anordnung der Reihenfolge um eins geringer ist als die Zahl der gestückelten Nukleotidsequenzen und die Richtung der Sequenzanordnung vom 5'-Ende zum 3'-Ende ist.
Verfahren nach Anspruch 12, das zusätzlich erhalten mindestens eines vorbestimmten Basenhäufigkeitscodes umfasst, der die von einer Base gezeigte Häufigkeit in der Originalnukleotidsequenz anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Oligomere zur Anordnung der Reihenfolge Nukleotidsequenzen sind, die sich wiederholende Basen in der Originalnukleotidsequenz auslassen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Medium aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Papier, Glas, Plastik, einer Nitrozelluloseschicht, Polykarbonatester, einer Nylonschicht und Textilien besteht.