JP2004304608A - Encrypted information transmitting method and decryption method using biopolymer - Google Patents

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JP2004304608A JP2003096369A JP2003096369A JP2004304608A JP 2004304608 A JP2004304608 A JP 2004304608A JP 2003096369 A JP2003096369 A JP 2003096369A JP 2003096369 A JP2003096369 A JP 2003096369A JP 2004304608 A JP2004304608 A JP 2004304608A
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biopolymer
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biopolymers
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Tatsuya Usuki
達哉 臼杵
Kenji Fujiwara
健志 藤原
Shozo Fujita
省三 藤田
求 ▲高▼津
Motomu Takatsu
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel method for transmitting and decrypting the encrypted information in which a cryptogram can be transmitted in safety without previously sharing a key by applying biotechnology. <P>SOLUTION: A collection of biopolymers having many kinds of sequences is used as an information transmitting medium. In the method for transmitting encrypted information, a transmitter transmits encrypted information locked with a first key and false information to a receiver, and then transmits the encrypted information sent back from the receiver while being locked with a second key back to the receiver while unlocking the first key. In the decryption method, the receiver transmits the encrypted information received from the transmitter while being locked with the first key back to the transmitter while further locking with the second key, and then decrypts the encrypted information by unlocking the second key of the encrypted information sent back from the transmitter while unlocking the first key. Different biopolymers attached to the biopolymers of transmitting media of the encrypted information and false information can be used as the first key and second key. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、現在急速に進歩しているバイオテクノロジーを利用して、安全な暗号伝達システムを構築する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
通信として現在最も多く利用されているのが、無線あるいは有線を利用して電気信号(電磁波をキャリアとした場合を含む)を配送するシステムである。これらのシステムは、どの地域間でも迅速にデータを配送することができるが、第三者による傍受も容易にできる。たとえ情報を暗号化しても、暗号通信行為そのものの検知とその発信者及び受信者の特定は、第三者によって容易に行うことができる。しかも、電気信号なので一度に大量のデータを電子計算機に入力することができ、暗号解析を迅速に行うことも可能である。暗号を解析する機械としては、現実には電子計算機が唯一のものなので、通信手段として電子計算機と親和性のよいものを用いると特に、暗号は手軽に解析できてしまう。
【0003】
現在、電気通信の標準となっているインターネットは、通信データが第三者のサイトを中継して行われるため、極めて傍受されやすい。従って、情報伝達に関して伝達速度より安全性が要求される場合、インターネットの使用は避けた方が望ましい。これだけ電子化された社会においても、郵便による通信(特に商取引)が続けられているのは、上記のような理由も一因となっている。
【0004】
一方、暗号伝達媒体としてDNAを使用することも考えられる。DNAに情報を書き込んで暗号化しそれを運ぶことによって通信を行えば、情報の安全性は飛躍的に高くなる。なぜならば、10塩基程度の小規模なDNAでもそれ自身に2kbitもの情報を保存でき、しかも一つ一つのDNAは長さ1μm以下であり、肉眼で認識することは不可能だからである。更に、このような小規模のDNAには毒性はなく、大規模なDNAでも全ての生体に存在する普遍的な物質である。暗号伝達の仕方としては、DNAを含む液を紙に染み込ませて一般の手紙として送ることもできれば、DNAをその他の物質に付着させて輸送することも可能である。また、生体の細胞の中にDNAを埋め込むことも可能である。結論として、第三者が暗号通信の存在自体を検知することは、通信に使用したDNAの固有配列を知った上で、両者の間を流通した全ての物質についてDNA検査し、且つ意味のある情報を復元して偶然性を排除しない限り、極めて困難である。
【0005】
現在、DNAを利用したバイオテクノロジーが一大産業として発展している。目的は医療向けであるが、DNAの合成、複製、分析などの自動化は急速なスピードで進んでいる。しかも、自動機械の小型化や価格の低下も日進月歩であり、ガイドラインさえ遵守すれば、特別な研究機関でなくても私企業が容易に購入できる。従って、通信速度や取扱いの簡便さよりも安全性の保障が最優先される通信(個人情報の伝達等)について、DNAを用いた暗号システムが実現できれば、社会に与える影響は極めて大きい。
【0006】
このような背景のもと、米国C. BancroftのグループによってDNA暗号の実験が行われた(非特許文献1)。これは、多数の偽情報の中に真の情報を紛れ込ませる暗号技術(ステガノグラフィーの一種)を利用したものである。この暗号方式では、鍵となるDNAの特定部位の塩基配列を知らない限り、真の情報を知ることはできない。
【0007】
しかしながら、この暗号方式においても、送信者と受信者が事前に鍵(特定部位の塩基配列)を共有する必要が有り、その安全性が深刻な問題となる。これは鍵配送問題と呼ばれ、暗号通信で最も重要な問題である。
【0008】
【非特許文献1】
C.T. Clelland, V. Risca, and C.Bancroft, Nature Vol. 399, 10 June 1999, pp.533−534
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、バイオテクノロジーを応用して、事前に鍵を共有せずに、安全に暗号を伝達できる新しい技術を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供する技術は、暗号化情報伝達方法と暗号化情報解読方法を包含する。
【0011】
本発明の暗号化情報伝達方法は、情報伝達媒体として多種類の配列を持つ生体高分子の集合を使用して、送信者が第一の鍵をかけた暗号化情報及び偽情報を受信者に送り、その後受信者から第二の鍵をかけて返送された暗号化情報を第一の鍵をあけて受信者に返送することを特徴とする。
【0012】
本発明の暗号化情報解読方法は、情報伝達媒体として多種類の配列を持つ生体高分子の集合を使用して、受信者が送信者から偽情報とともに受け取った第一の鍵のかけられた暗号化情報に第二の鍵を更にかけて送信者に返送し、送信者が第一の鍵をあけて返送してきた暗号化情報の第二の鍵をあけて暗号化情報を解読することを特徴とする。
【0013】
本発明では、暗号化情報を書き込む生体高分子として、DNAあるいはRNAなどのヌクレオチドを用いるのが好適である。
【0014】
本発明によれば、鍵をかけた真の暗号化情報を非常に大きな数の偽情報の中に潜ませることが可能である。第三者が鍵を盗むためには、ヒトゲノムの全塩基配列の解析に大規模なプロジェクトで長期間を要したように、多大な労力が必要となることから、実際問題として第三者による暗号化情報の解読は極めて困難である。こうして、本発明によって真に安全な暗号通信手段が創出される。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明は、事前に鍵を共有することなしに、高分子、特にDNA等の生体高分子を用いて、真の情報を安全に配送する技術に関する。その基本プロトコルは次のとおりである。
【0016】
以下では、情報送信者をアリス(Alice)、受信者をボブ(Bob)、盗聴者(第三者)をイブ(Eve)とする。
まず、本発明の概念を、図1、2を参照して説明する。送信者アリスは、送りたい情報(Tom is a liar.)を含むDNAに鍵Aをつけ、偽情報にB、Cをつけて、受信者ボブに送る。ボブは、アリスから送られたそのままのDNAには鍵1をつけ、そしてアリスがつけた鍵をボブがつけ直したものには2、3をつけて、アリスに返送する。次に、アリスは返送されたDNAのうち鍵Aがついたものを抽出し、鍵Aを外してボブに再送する。ボブは、再送されたDNAのうちから鍵1のついたDNAを抽出して、情報を読み取る。このようにして、アリスとボブが鍵を互いに教えることなしに、アリスはボブに暗号情報を伝えることができる。
【0017】
次に、演算記号について説明する。xは塩基配列あるいはその塩基配列を持ったDNAを意味する。塩基配列は一通りとは限らず、複数の種類もある。よって、xはある塩基配列を持ったDNA集合の意味も含む。x*y(あるいは単にxy)は塩基配列xとyを持ったDNAの結合、x+yは塩基配列xとyを持ったDNAの混合を意味する。x/yは、塩基配列x中にyの塩基配列を持つ場合、yの部位を除去した残りを意味し、x中にyの配列を持たない場合は0とする。
【0018】
アリスは、多種類のDNAの集合を用意する。この集合をA={A,A,A,…,A,…,AM−1}とする。AはDNAの塩基配列の種類を示し、A種のDNAの個数は十分に多く且つ任意である。アリスはAから任意の要素を一つ選ぶ。この選択の情報は外部に漏らさず、アリスの秘密鍵とする。ここでは、秘密鍵としてAを選ぶ。伝えたい真の情報を書き込んだXというDNAを用意し、AとXをDNAリカーゼによって結合させる。ここで、Xは一種類のDNAとは限らない。更に、偽情報を書き込んだX(i≠0)を用意し、A(i≠0)とそれぞれ結合する。その後、結合を済ませたA(i=0,1,2,…,M−1)の混合物をボブに送る。Aには、特定の配列部位を切断できる生体高分子を付加することもできる。
【0019】
ボブも、多種類のDNAの集合を用意する。この集合をB={B,B,B,…,B,…,BN−1}とする。ボブはBから任意の要素を一つ選ぶ。この選択の情報は外部に漏らさず、ボブの秘密鍵とする。ここでは、秘密鍵としてBを選ぶ。ボブは、アリスから送られた混合物を二つに分け、一方にBを結合し、A(i=0,1,2,…,M−1)を作る。残りの混合物は、AとXを切断し、再び結合させて新たな結合Aを作る。更に、B(k≠0)を加え結合させてA(k≠0)の混合物を作る。A、X、Bの組合せはランダムであり、更に新しいA(k≠0)の混合物を加えてもよい。上記二種類の混合物を混ぜ合わせたA(i=0,1,2,…,M−1)+A(k≠0)を作り、アリスに送る。
【0020】
アリスはボブから受け取ったA(i=0,1,2,…,M−1)+A(k≠0)からAを含むDNAを分離する。更に、これらのDNAを切断しAを排除してできた混合物X+X(k≠0)をボブに送り返す。
【0021】
ボブはアリスから受け取った混合物X+X(k≠0)からBを含むDNAを分離する。すると、最終的にXのみが残り、Bobはアリスから情報を受け取ることができる。
【0022】
さて、イブは輸送中のDNA混合物を一部抜き取ることができる。抜き取った混合物は、A(i=0,1,2,…,M−1)、A(i=0,1,2,…,M−1)+A(k≠0)、そしてX+X(k≠0)の三種類である。ここで、混合物A(i=0,1,2,…,M−1)とA(i=0,1,2,…,M−1)+ A(k≠0)それぞれの全塩基配列を調べ、そのデータを電子計算機に記憶させる。その後、A(i=0,1,2,…,M−1)+A(k≠0)の中で最も多くの種類のAと結合したBを電子計算機によって検索すれば、そのBをBと推定できる。しかし、Aの長さが10塩基程度で種類を10としても、ヒトゲノム(30億塩基程度、しかも染色体の数だけ事前に分類できている)以上の解析を行わなくてはならない。全塩基配列を調べることの難しさは、ゲノムプロジェクトの規模の大きさと時間の長さからも明らかである。
【0023】
【実施例】
まず、情報送信者アリスはDNAの結合A*LA*X*LBを用意する。Xには伝えたい情報を書き込んでおく。このとき書き込む情報自体を暗号化しその復号鍵とともにXに書き込めば、更に安全である。例えば、Aの長さは10から20塩基程度にし、LAは6から20塩基、Xは100から1000塩基、LBは6塩基、Bは10から20塩基程度の長さを目安に設計する。LAとLBはそれぞれ異なる制限酵素で切断できる部位を持つ。例えば、図3に示すように、LAはEco RIで切断でき、LBはApa Iで切断できるように設計する。LBを切断する制限酵素名(ここではApa I)は予め情報受信者ボブに伝えておく(公知にしてよい)。最終プロセスでPCR増幅を行うならば、LAの右側に新たな塩基配列を加え、Bと同程度の長さにしたほうがよい。XはEco RIやApa Iで切断されない配列をもつ方がよい。
【0024】
次に、アリスはダミーのDNAを多種類用意する。天然のDNAで構わないが、分子量はA*LA*X*LBと同程度にする。これらのDNAの中でAの塩基配列を持っているものをアフィニティ分離法により除外する。更に、これらのDNAの中でLAの塩基配列を持っているものをアフィニティ分離法により今度は抽出する。これらの処理を終えたダミーのDNAをdAと呼ぶことにする。そして、A*LA*X*LBとdAを混ぜ合わせる。このとき、dAを必ずA*LA*X*LBより多くして、マキサム−ギルバード法等でA*LA*X*LBの塩基配列が読み取れないようにする。アリスは、この混合液にApa Iを加え、LBを切断し付着末端(sticky end)にしてからボブに送る。
【0025】
ボブは予めLB*Bを用意しておく。Bの長さは10から20塩基程度にする。LB*Bは、Apa Iにより付着末端にする。
【0026】
ボブは、アリスから送られてきた混合液(A*LA*X*LB+dA)を二つに分ける。一方の液に、用意しておいたLB*Bを加え、そしてDNAリカーゼで付着末端間の結合を進め、A*LA*X*LB*B+dA*Bをつくる。A*LA*X*LB*Bは、ここでの暗号伝達プロセス中でXを含む最も長くなったDNAであり、図4に模式的に示す構造を持つ。
【0027】
残りの溶液のDNAは、その付着末端を酵素により平滑末端(blunt end)にする。更に、Apa I以外のI型制限酵素により様々に切断する。(アリスがEco RIの使用を公知にして、BobがEco RIでこの溶液のDNAを切断してもよい。)切断したDNAをDNAリカーゼによって再結合し、新たな配列を持ったDNAをつくる。次に、これらのDNAの中でBの塩基配列を持っているものをアフィニティ分離法により除外する。これらの処理を終えたダミーのDNAをdBと呼ぶことにする。
【0028】
ボブはこれら二液を混合した混合液(A*LA*X*LB*B+dA*B+dBを含む)をアリスに返送する。
【0029】
アリスは、ボブから返送された混合液からAの塩基配列を持っているDNAをアフィニティ分離法により抽出する。そして、Eco RIでこの溶液のDNAを切断した後、今度は切断されたAをアフィニティ分離法により除外する。こうして得た溶液(LA*X*LB*B+dB/Aを含む)をボブに返送する。
【0030】
ボブは、アリスから返送されたLA*X*LB*B+dB/AからBの塩基配列を持っているDNAをアフィニティ分離法により抽出する。この操作によってLA*X*LB*Bのみを選択することができる。ボブはこのDNAをマキサム−ギルバード法で読み取り、Xの内容を安全に知ることができる。
【0031】
上の例では、アリスはEco RIによる切断処理をしたために、LA*X*LB*B中のLAは付着末端となっている。アリスがEco RIの使用を公知にした場合、ボブはこの部分の配列を修復し完全なLA配列にできる。この操作によって、LA部分は6塩基となり、LAとBのプライマーによってPCR(ポリメラーゼチェイン反応)増幅を行うことができるので、読取の感度を上げることが可能となる。あるいは、予めLAの右側に新たな塩基配列を加え公知にし、Bと同程度の長さにすれば更に読み取りの感度を上げることができる。
【0032】
本発明は、以上説明したとおりであるが、その特徴を種々の態様とともに付記すれば、次のとおりである。
(付記1)情報伝達媒体として多種類の配列を持つ生体高分子の集合を使用して、送信者が第一の鍵をかけた暗号化情報及び偽情報を受信者に送り、その後受信者から第二の鍵をかけて返送された暗号化情報を第一の鍵をあけて受信者に返送することを特徴とする、生体高分子を使用した暗号化情報伝達方法。
(付記2)前記暗号化情報及び偽情報の伝達媒体の生体高分子のそれぞれに別の生体高分子を付加し、前記暗号化情報の伝達媒体の生体高分子に付加する生体高分子を前記第一の鍵とする、付記1記載の生体高分子を使用した暗号化情報伝達方法。
(付記3)受信者から返送された前記暗号化情報の第一の鍵をあけるため、受信者から返送された暗号化情報及び偽情報の伝達媒体の生体高分子の集合から前記第一の鍵の生体高分子を含む伝達媒体の生体高分子を分離し、分離した生体高分子を切断し前記第一の鍵の生体高分子を排除して得られる生体高分子の集合を受信者に返送する、付記2記載の生体高分子を使用した暗号化情報伝達方法。
(付記4)前記暗号化情報及び偽情報の伝達媒体の生体高分子に、特定配列部位を切断できる更に別の生体高分子を付加する、付記2又は3記載の生体高分子を使用した暗号化情報伝達方法。
(付記5)前記更に別の生体高分子として、制限酵素により切断される生体高分子を使用する、付記4記載の生体高分子を使用した暗号化情報伝達方法。
(付記6)受信者から返送された生体高分子の集合からの前記第一の鍵の生体高分子を含む伝達媒体の生体高分子の分離、及び切断した前記第一の鍵の生体高分子の排除を、アフィニティー分離法により行う、付記3記載の生体高分子を使用した暗号化情報伝達方法。
(付記7)情報伝達媒体として多種類の配列を持つ生体高分子の集合を使用して、受信者が送信者から偽情報とともに受け取った第一の鍵のかけられた暗号化情報に第二の鍵を更にかけて送信者に返送し、送信者が第一の鍵をあけて返送してきた暗号化情報の第二の鍵をあけて暗号化情報を解読することを特徴とする、生体高分子を使用した暗号化情報解読方法。
(付記8)送信者から受け取った第一の鍵のかけられた暗号化情報を含む生体高分子の集合を二つに分け、一方の集合の生体高分子に別の高分子を付加して、この別の生体高分子を前記第二の鍵とし、そしてもう一方の集合の生体高分子を、暗号化情報及び偽情報の伝達媒体である生体高分子とそれらに付加されていた別個の生体高分子とに切断してから結合させて伝達媒体の生体高分子と上記別個の生体高分子との新たな結合を作り、この結合に更に別の生体高分子を結合させて得られた生体高分子の集合を、前記第二の鍵の生体高分子を付加した生体高分子の集合と一緒にして送信者に返送する、付記7記載の生体高分子を使用した暗号化情報解読方法。
(付記9)送信者が第一の鍵をあけて返送してきた生体高分子の集合から前記第二の鍵の生体高分子を持つ伝達媒体の生体高分子を分離する、付記8記載の生体高分子を使用した暗号化情報解読方法。
(付記10)前記暗号化情報及び偽情報の伝達媒体の生体高分子として、特定配列部位を切断できる生体高分子を付加したものを使用する、付記8又は9記載の生体高分子を使用した暗号化情報解読方法。
(付記11)前記暗号化情報及び偽情報の伝達媒体の生体高分子として、特定配列部位を切断できる生体高分子を付加したものを使用する、付記8〜10のいずれか一つに記載の生体高分子を使用した暗号化情報解読方法。
(付記12)送信者から返送された生体高分子の集合からの前記第二の鍵の生体高分子を持つ伝達媒体の生体高分子の分離を、アフィニティー分離法により行う、付記9記載の生体高分子を使用した暗号化情報解読方法。
(付記13)一部の部位について特定の配列を持つ生体高分子を増幅することを含む、付記7〜12のいずれか一つに記載の暗号化情報解読方法。
【0033】
【発明の効果】
本発明は、安全な暗号通信システムとして、事前に鍵を共有せずに情報を伝達する技術である。現在急速に進歩しているバイオテクノロジーを用いて、非常に大きな数の偽情報の中に真の情報を潜ませることが可能である。鍵が分からない以上、真の情報がどれか原理的に判別できない。第三者が鍵を盗むためには、先に説明したように多大な労力が必要となる。一方、受信者が真の情報を取り出すのは容易である。従って、本発明によって電気・光通信以外の手法で安全な通信手段が創出される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の概念を説明する第1の図である。
【図2】本発明の概念を説明する第2の図である。
【図3】実施例で使用するLA及びLBの塩基配列を示す図である。
【図4】実施例で用いたA*LA*X*LB*Bの塩基配列構造を模式的に示す図である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for constructing a secure cryptographic transmission system using biotechnology, which is rapidly progressing.
[0002]
[Prior art]
Currently, the most widely used communication system is a system that distributes an electric signal (including a case where an electromagnetic wave is used as a carrier) using wireless or wired communication. These systems can deliver data quickly between any regions, but can also be easily intercepted by third parties. Even if the information is encrypted, the detection of the encrypted communication itself and the identification of the sender and receiver thereof can be easily performed by a third party. Moreover, since it is an electric signal, a large amount of data can be input to the computer at a time, and the cryptanalysis can be performed quickly. Since an electronic computer is actually the only machine that analyzes the encryption, the encryption can be easily analyzed, especially if a communication device having a high affinity with the computer is used.
[0003]
At present, the Internet, which is the standard for telecommunications, is extremely easy to be intercepted because communication data is relayed through third-party sites. Therefore, it is desirable to avoid using the Internet when security is required rather than transmission speed for information transmission. In such a digitized society, communication by mail (especially commercial transactions) continues, partly because of the above reasons.
[0004]
On the other hand, it is also conceivable to use DNA as an encryption transmission medium. If communication is performed by writing information into DNA, encrypting it, and carrying it, the security of the information will be dramatically improved. Because itself even small DNA of about 10 3 bases can store 2kbit stuff information, yet every single DNA is at 1μm or less in length, because it is impossible to recognize with the naked eye. Furthermore, such small-scale DNA has no toxicity, and even large-scale DNA is a universal substance present in all living organisms. As a method of transmitting the code, a liquid containing DNA can be soaked in paper and sent as a general letter, or the DNA can be attached to another substance and transported. It is also possible to embed DNA in living cells. In conclusion, it is meaningful for a third party to detect the existence of the encrypted communication itself, knowing the unique sequence of the DNA used for the communication, conducting a DNA test on all substances circulating between the two, and making sense. It is extremely difficult unless information is reconstructed to eliminate chance.
[0005]
Currently, biotechnology using DNA is developing as a major industry. Although the purpose is medical, automation of DNA synthesis, replication, analysis, etc. is progressing at a rapid speed. In addition, the miniaturization and price reduction of automatic machines are steadily increasing, and private companies can easily purchase even non-specialized research institutions if they follow the guidelines. Therefore, if a cryptographic system using DNA can be realized for communication (such as transmission of personal information) in which security is given priority over communication speed and ease of handling, the impact on society will be extremely large.
[0006]
Against this background, US C.I. An experiment on DNA coding was performed by the group of Bancroft (Non-Patent Document 1). This utilizes a cryptographic technique (a type of steganography) that allows true information to be mixed into a large number of false information. In this encryption method, true information cannot be known unless the base sequence of a specific site of the key DNA is known.
[0007]
However, even in this encryption method, it is necessary for the sender and the receiver to share a key (base sequence of a specific portion) in advance, and the security becomes a serious problem. This is called the key distribution problem and is the most important problem in cryptographic communication.
[0008]
[Non-patent document 1]
C. T. Cllland, V .; Risca, and C.E. Bancroft, Nature Vol. 399, 10 June 1999, pp. 533-534
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a new technology that can securely transmit encryption without applying a key in advance by applying biotechnology.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The technology provided by the present invention includes an encrypted information transmission method and an encrypted information decryption method.
[0011]
The encrypted information transmission method of the present invention uses a set of biopolymers having various types of sequences as an information transmission medium, and transmits the encrypted information and the false information with the first key to the receiver by the sender. Then, the encrypted information returned from the receiver using the second key with the second key is returned to the receiver using the first key.
[0012]
The encrypted information decryption method of the present invention uses a collection of biomacromolecules having various types of sequences as an information transmission medium, and uses a first keyed encryption received by a receiver together with false information from a sender. The encrypted information is returned to the sender by further applying the second key, and the sender opens the first key and decrypts the encrypted information by opening the second key of the returned encrypted information. I do.
[0013]
In the present invention, it is preferable to use a nucleotide such as DNA or RNA as a biopolymer for writing the encoded information.
[0014]
According to the present invention, it is possible to hide locked true encrypted information in a very large number of fake information. In order for a third party to steal the key, a lot of effort is required, as it took a long time for a large project to analyze the entire nucleotide sequence of the human genome. Decoding information is extremely difficult. Thus, a truly secure cryptographic communication means is created by the present invention.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention relates to a technique for securely delivering true information using a polymer, particularly a biopolymer such as DNA, without sharing a key in advance. The basic protocol is as follows.
[0016]
In the following, the information sender is Alice, the recipient is Bob, and the eavesdropper (third party) is Eve.
First, the concept of the present invention will be described with reference to FIGS. The sender Alice attaches the key A to the DNA containing the information to be sent (Tom is a lia.), Attaches B and C to the false information, and sends it to the recipient Bob. Bob returns Alice with the key 1 for the intact DNA sent by Alice, and a few keys for Bob's re-keyed by Alice. Next, Alice extracts the DNA with the key A from the returned DNA, removes the key A, and resends it to Bob. Bob extracts the DNA with the key 1 from the retransmitted DNA and reads the information. In this way, Alice can pass Bob the cryptographic information without Alice and Bob teaching each other the key.
[0017]
Next, the operation symbols will be described. x means a base sequence or a DNA having the base sequence. The base sequence is not limited to one type, and there are a plurality of types. Therefore, x also includes the meaning of a DNA set having a certain base sequence. x * y (or simply xy) means a bond between DNAs having base sequences x and y, and x + y means a mixture of DNAs having base sequences x and y. x / y means the remainder after removing the y site when the base sequence x has the base sequence of y, and is 0 when the base sequence x does not have the y sequence.
[0018]
Alice prepares a collection of various types of DNA. The set A = {A 0, A 1 , A 2, ..., A i, ..., A M-1} to. A i represents the type of base sequence of DNA, the number of A i species DNA is sufficiently large and arbitrarily. Alice chooses one arbitrary element from A. The information of this selection is not leaked to the outside and is used as Alice's secret key. Here, A0 is selected as the secret key. Providing a DNA that X 0 is written true of the information you want, the A 0 and X 0 is bound by DNA helicase. Here, X 0 is not limited to one type of DNA. Further, X i (i ≠ 0) in which the false information is written is prepared and combined with A i (i ≠ 0). Thereafter, the combined mixture of A i X i (i = 0, 1, 2,..., M−1) is sent to Bob. The A i X i, can also be added biopolymers capable of cleaving a particular sequence site.
[0019]
Bob also prepares a collection of various types of DNA. The set B = {B 0, B 1 , B 2, ..., B k, ..., B N-1} to. Bob chooses one arbitrary element from B. The information of this selection is used as Bob's secret key without leaking to the outside. Here, B0 is selected as a secret key. Bob divides the mixture sent from Alice into two, and combines B 0 with one to create A i X i B 0 (i = 0, 1, 2,..., M−1). The remaining mixture, cutting the A i and X i, make a new binding A i X j by coupling again. Further, B k (k ≠ 0) is added and combined to form a mixture of A i X j B k (k ≠ 0). The combination of A i , X j , B k is random, and a new mixture of A i Y j B k (k ≠ 0) may be added. The two A mixture obtained by mixing the i X i B 0 (i = 0,1,2, ..., M-1) + A i X j make B k a (k ≠ 0), sends it to Alice.
[0020]
Alice A i X i B 0 (i = 0,1,2, ..., M-1) received from Bob separating DNA containing the A 0 from + A i X j B k ( k ≠ 0). Further, the mixture X 0 B 0 + X j B k (k ≠ 0) formed by cutting these DNAs and excluding A 0 is sent back to Bob.
[0021]
Bob isolating DNA containing the mixture X 0 B 0 + X j B k (k ≠ 0) from B 0 received from Alice. Then, finally leaving only the X 0, Bob may receive information from Alice.
[0022]
Now, Eve can withdraw a portion of the DNA mixture in transit. The extracted mixture is A i X i (i = 0, 1, 2,..., M−1), A i X i B 0 (i = 0, 1, 2,..., M−1) + A i X j B k (k ≠ 0) and X 0 B 0 + X j B k (k ≠ 0). Here, the mixture A i X i (i = 0, 1, 2,..., M−1) and A i X i B 0 (i = 0, 1, 2,..., M−1) + A i X j The entire base sequence of each of B k (k ≠ 0) is checked, and the data is stored in the computer. Then, A i X i B 0 ( i = 0,1,2, ..., M-1) was combined with most types of A i X i in + A i X j B k ( k ≠ 0) B if searching k by an electronic computer, can be estimated that B k B 0 and. However, even if the length of A i X i is about 10 3 bases and the type is 10 6 , analysis of more than the human genome (about 3 billion bases and the number of chromosomes can be classified in advance) must be performed. . The difficulty of examining the entire nucleotide sequence is also evident from the size and length of the genome project.
[0023]
【Example】
First, the information sender Alice prepares DNA binding A 0 * LA * X 0 * LB. It is written the information you want to convey to the X 0. Writing a information itself to be written this time to X 0 with its decryption key is encrypted, it is safer. For example, the length of A 0 is from 10 to about 20 bases, LA 6 to 20 bases, X 0 is 100 to 1000 bases, LB 6 bases, B 0 is designed as a guide length of about 10 to 20 bases I do. LA and LB have sites that can be cleaved by different restriction enzymes. For example, as shown in FIG. 3, the design is such that LA can be cut with EcoRI and LB can be cut with ApaI. The name of the restriction enzyme that cuts the LB (here, Apa I) is reported to Bob, the information recipient in advance (may be known). If PCR amplification is carried out in a final process, adding a new nucleotide sequence to the right of the LA, it is better to B 0 and the length of the same degree. X 0 is better having a sequence that is not cleaved by Eco RI and Apa I.
[0024]
Next, Alice prepares many types of dummy DNA. Natural DNA may be used, but the molecular weight is about the same as A 0 * LA * X 0 * LB. What we have the nucleotide sequence of A 0 in these DNA excluded by affinity separation method. Further, among these DNAs, those having an LA base sequence are extracted this time by affinity separation. The dummy DNA that has been subjected to these processes is referred to as dA. Then, A 0 * LA * X 0 * LB and dA are mixed. At this time, the more than sure A 0 * LA * X 0 * LB of dA, Maxam - A 0 * LA * X 0 * so that the nucleotide sequence of the LB can not be read by Gilbert method. Alice adds Apa I to this mixture, cuts the LB to a sticky end, and sends it to Bob.
[0025]
Bob are prepared in advance LB * B 0. The length of the B 0 is set to about 10 to 20 bases. LB * B 0 is made cohesive with Apa I.
[0026]
Bob divides the mixture (A 0 * LA * X 0 * LB + dA) sent from Alice into two. On one of the liquid, the LB * B 0 which had been prepared was added, and advances the coupling between cohesive ends with DNA helicase, make A 0 * LA * X 0 * LB * B 0 + dA * B 0. A 0 * LA * X 0 * LB * B 0 is the longest DNA containing X 0 in the cryptographic transmission process here, and has a structure schematically shown in FIG.
[0027]
The DNA in the remaining solution is blunt ended by enzymatic enzymatic termination. Furthermore, it is variously digested with a type I restriction enzyme other than Apa I. (Alice may publicize the use of Eco RI, and Bob may cut the DNA in this solution with Eco RI.) The cut DNA is recombined with DNA ligase to produce DNA with the new sequence. Then, it excludes those that have a nucleotide sequence of B 0 in these DNA by affinity separation method. The dummy DNA after these processes is called dB.
[0028]
Bob returns to Alice a mixture of the two (including A 0 * LA * X 0 * LB * B 0 + dA * B 0 + dB).
[0029]
Alice, a DNA having a nucleotide sequence of A 0 from a mixture returned from Bob extracts by affinity separation method. Then, after cutting the DNA in the solution in Eco RI, now excludes A 0 cleaved by affinity separation method. Thus obtained solution (including the LA * X 0 * LB * B 0 + dB / A 0) is returned to Bob.
[0030]
Bob, the DNA from the LA * X 0 * LB * B 0 + dB / A 0 sent back from Alice has the base sequence of the B 0 is extracted by affinity separation method. By this operation, only LA * X 0 * LB * B 0 can be selected. Bob The DNA Maxam - can be known read by Gilbert method, securing the contents of the X 0.
[0031]
In the above example, LA in LA * X 0 * LB * B 0 is a cohesive end because Alice has been digested with Eco RI. If Alice publicizes the use of Eco RI, Bob will be able to repair this portion of the sequence to a complete LA sequence. This action, LA portion becomes 6 bases, it is possible to perform the PCR (polymerase chain reaction) amplification by the primers of LA and B 0, it becomes possible to increase the sensitivity of the reading. Alternatively, pre-LA to known adding a new nucleotide sequence on the right side of the further it is possible to increase the sensitivity of the reading if B 0 and the length of the same degree.
[0032]
Although the present invention has been described above, the features of the present invention will be described below with various aspects thereof.
(Supplementary Note 1) Using a set of biopolymers having various types of sequences as an information transmission medium, the sender sends the encrypted information and the false information with the first key to the receiver, and then the receiver A method for transmitting encrypted information using a biopolymer, wherein the encrypted information returned with the second key is opened to the receiver with the first key opened.
(Supplementary Note 2) Another biopolymer is added to each of the biopolymers of the encrypted information and the false information transmission medium, and the biopolymer to be added to the biopolymer of the encrypted information transmission medium is added to the biopolymer. An encrypted information transmission method using the biopolymer according to Appendix 1, which is used as one key.
(Supplementary Note 3) In order to open the first key of the encrypted information returned from the receiver, the first key is obtained from a set of biopolymers as a medium for transmitting the encrypted information and the false information returned from the receiver. The biopolymer of the transmission medium containing the biopolymer is separated, the separated biopolymer is cut, and the set of biopolymers obtained by excluding the first key biopolymer is returned to the receiver. 2. A method for transmitting encrypted information using a biopolymer according to claim 2.
(Supplementary note 4) Encryption using the biopolymer according to Supplementary note 2 or 3, wherein another biopolymer capable of cleaving a specific sequence site is added to the biopolymer of the transmission medium of the encrypted information and the false information. Information transmission method.
(Supplementary Note 5) The method for transmitting encrypted information using a biopolymer according to supplementary note 4, wherein a biopolymer that is cleaved by a restriction enzyme is used as the further biopolymer.
(Supplementary Note 6) Separation of the biopolymer of the transmission medium containing the biomolecule of the first key from the set of biopolymers returned from the receiver, and separation of the biopolymer of the first key cut 4. The method for transmitting encrypted information using a biopolymer according to claim 3, wherein the exclusion is performed by an affinity separation method.
(Supplementary Note 7) Using a set of biopolymers having various types of arrangements as an information transmission medium, the receiver adds the second keyed encrypted information received from the sender together with the false information to the second encrypted information. A biopolymer is characterized in that the key is further returned to the sender, and the sender opens the first key and decrypts the encrypted information by opening the second key of the returned encrypted information. The encryption information decryption method used.
(Supplementary Note 8) The set of biopolymers containing the first locked encryption information received from the sender is divided into two, and another polymer is added to one set of biopolymers, This other biopolymer is used as the second key, and the other set of biopolymers is used as a biopolymer that is a medium for transmitting encrypted information and pseudo information and a separate biopolymer that has been added thereto. Biomolecule obtained by forming a new bond between the biomolecule of the transmission medium and the above-mentioned separate biopolymer by being cut into molecules and then bonding, and further bonding another biopolymer to this bond 8. The method for decrypting encrypted information using a biopolymer according to claim 7, wherein the set is returned to the sender together with the set of biopolymers to which the biopolymer of the second key is added.
(Supplementary note 9) The bioheight according to Supplementary note 8, wherein the sender separates the biopolymer of the transmission medium having the biopolymer of the second key from the set of biopolymers returned by opening the first key. A method for decrypting encrypted information using molecules.
(Supplementary note 10) The code using the biopolymer according to Supplementary note 8 or 9, wherein a biopolymer to which a specific sequence site can be cleaved is used as a biopolymer of the encrypted information and pseudo information transmission medium. Information decryption method.
(Supplementary note 11) The biomolecule according to any one of Supplementary notes 8 to 10, wherein a biopolymer to which a specific sequence site can be cleaved is used as a biopolymer for transmitting the encrypted information and the false information. A method for decrypting encrypted information using polymers.
(Supplementary note 12) The biomolecule according to supplementary note 9, wherein the biopolymer of the transmission medium having the second key biopolymer is separated from the set of biopolymers returned from the sender by an affinity separation method. A method for decrypting encrypted information using molecules.
(Supplementary note 13) The method for decrypting encrypted information according to any one of Supplementary notes 7 to 12, which includes amplifying a biopolymer having a specific sequence in a part of the site.
[0033]
【The invention's effect】
The present invention is a technique for transmitting information without sharing a key in advance as a secure cryptographic communication system. With the rapidly evolving biotechnology, it is possible to hide real information in a very large number of false information. As long as the key is not known, the true information cannot be determined in principle. In order for a third party to steal the key, a great deal of effort is required as described above. On the other hand, it is easy for the recipient to retrieve the true information. Therefore, the present invention creates a secure communication means by a method other than the electric / optical communication.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a first diagram illustrating the concept of the present invention.
FIG. 2 is a second diagram illustrating the concept of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the base sequences of LA and LB used in Examples.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a base sequence structure of A 0 * LA * X 0 * LB * B 0 used in Examples.

Claims (5)

情報伝達媒体として多種類の配列を持つ生体高分子の集合を使用して、送信者が第一の鍵をかけた暗号化情報及び偽情報を受信者に送り、その後受信者から第二の鍵をかけて返送された暗号化情報を第一の鍵をあけて受信者に返送することを特徴とする、生体高分子を使用した暗号化情報伝達方法。Using a set of biopolymers having various types of arrays as an information transmission medium, the sender sends encrypted information and fake information with the first key to the receiver, and then the receiver sends the second key A method for transmitting encrypted information using a biopolymer, wherein the returned encrypted information is opened to a receiver with a first key. 前記暗号化情報及び偽情報の伝達媒体の生体高分子のそれぞれに別の生体高分子を付加して、前記暗号化情報の伝達媒体の生体高分子に付加する生体高分子を前記第一の鍵とし、そして受信者から返送された前記暗号化情報の第一の鍵をあけるため、受信者から返送された暗号化情報及び偽情報の伝達媒体の生体高分子の集合から前記第一の鍵の生体高分子を含む伝達媒体の生体高分子を分離し、分離した生体高分子を切断し前記第一の鍵の生体高分子を排除して得られる生体高分子の集合を受信者に返送する、請求項1記載の生体高分子を使用した暗号化情報伝達方法。The first key is obtained by adding another biopolymer to each of the biopolymers of the encrypted information and the false information transmission medium and adding the biopolymer to the biopolymer of the encrypted information transmission medium. And, in order to open the first key of the encrypted information returned from the receiver, the first key of the first key from the collection of biopolymers of the transmission medium of the encrypted information and the false information returned from the receiver Separating the biopolymer of the transmission medium containing the biopolymer, cutting the separated biopolymer and returning the set of biopolymers obtained by eliminating the first key biopolymer to the receiver, A method for transmitting encrypted information using the biopolymer according to claim 1. 情報伝達媒体として多種類の配列を持つ生体高分子の集合を使用して、受信者が送信者から偽情報とともに受け取った第一の鍵のかけられた暗号化情報に第二の鍵を更にかけて送信者に返送し、送信者が第一の鍵をあけて返送してきた暗号化情報の第二の鍵をあけて暗号化情報を解読することを特徴とする、生体高分子を使用した暗号化情報解読方法。Using a collection of biological macromolecules with various types of sequences as an information transmission medium, the receiver can further apply the second key to the first locked encrypted information received with the false information from the sender. A cipher using a biopolymer, characterized in that the cipher information is returned to the sender and the sender opens the first key and decrypts the cipher information by opening the second key. Information decryption method. 送信者から受け取った第一の鍵のかけられた暗号化情報を含む生体高分子の集合を二つに分け、一方の集合の生体高分子に別の高分子を付加して、この別の生体高分子を前記第二の鍵とし、もう一方の集合の生体高分子を、暗号化情報及び偽情報の伝達媒体である生体高分子とそれらに付加されていた別個の生体高分子とに切断してから結合させて伝達媒体の生体高分子と上記別個の生体高分子との新たな結合を作り、この結合に更に別の生体高分子を結合させて得られた生体高分子の集合を、前記第二の鍵の生体高分子を付加した生体高分子の集合と一緒にして送信者に返送し、そして送信者が第一の鍵をあけて返送してきた生体高分子の集合から前記第二の鍵の生体高分子を持つ伝達媒体の生体高分子を分離する、請求項3記載の生体高分子を使用した暗号化情報解読方法。The set of biopolymers containing the first locked encryption information received from the sender is divided into two, and another macromolecule is added to one set of biopolymers, and this another biomolecule is added. A polymer is used as the second key, and the other set of biopolymers is cut into a biopolymer which is a medium for transmitting encrypted information and pseudo information and a separate biopolymer added thereto. To form a new bond between the biopolymer of the transmission medium and the separate biopolymer, and then assembling the biopolymer obtained by further bonding another biopolymer to the bond. The second key biopolymer is returned to the sender together with the set of biopolymers to which the added biopolymer is added, and the second key is returned from the set of biopolymers returned by the sender with the first key opened. 4. The bioheight according to claim 3, wherein the biopolymer of the transmission medium having the key biopolymer is separated. Encrypted information decoding method using a child. 一部の部位について特定の配列を持つ生体高分子を増幅することを含む、請求項4記載の生体高分子を使用した暗号化情報解読方法。5. The method for decrypting encrypted information using a biopolymer according to claim 4, comprising amplifying a biopolymer having a specific sequence for a part of the site.
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