樊春海教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展出基于DNA 折紙技術(shù)的新型分子加密系統(tǒng)

近日，上海交通大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院樊春海教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一套以DNA折紙技術(shù)為基礎(chǔ)的分子加密系統(tǒng)。該系統(tǒng)超越了基于硅基計(jì)算機(jī)的常規(guī)加密體系，且同時(shí)具有保護(hù)信息完整性和訪問(wèn)控制的功能。相關(guān)論文以“DNA origami cryptography for secure communication”為題發(fā)表于Nature Communications （2019）10：5469。張祎男博士和王飛博士為共同第一作者，同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院柳華杰教授為共同通訊作者。

信息安全的三個(gè)要素CIA，包括了機(jī)密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）和可用性（Availability），在當(dāng)今社會(huì)信息安全中起到了關(guān)鍵作用。為了適應(yīng)日益提高的CIA需求，基于硅基計(jì)算機(jī)的體系采用了越來(lái)越復(fù)雜的加密算法。而基于生物分子的加密則采用熱動(dòng)力學(xué)控制的生物分子反應(yīng)來(lái)執(zhí)行加密過(guò)程，具有很高的特異性，有可能避免來(lái)自計(jì)算機(jī)的攻擊。其中，基于DNA分子反應(yīng)的文本信息隱寫(xiě)術(shù)得到了很大關(guān)注。

樊春海教授團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)期從事DNA自組裝研究的基礎(chǔ)上，提出應(yīng)用DNA折紙技術(shù)來(lái)編碼信息，以充分挖掘DNA在多維度加密應(yīng)用上的潛力。

DNA折紙技術(shù)的原理為通過(guò)幾百條短鏈對(duì)于一條長(zhǎng)骨架鏈的任意折疊，以得到不同形狀的DNA結(jié)構(gòu)。利用DNA折紙術(shù)可以構(gòu)建任意圖案且可以實(shí)現(xiàn)完全的物理可尋址。

他們以此為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出一套安全有效的DNA origami cryptography（DOC）加密系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，發(fā)送者首先將文本信息加密為類(lèi)似盲文圖案的點(diǎn)陣排列，然后以骨架鏈的折疊作為密鑰將點(diǎn)陣排列進(jìn)一步加密為雜交若干生物素化短鏈的骨架鏈。接收者通過(guò)共享骨架鏈折疊的密鑰可以生成對(duì)應(yīng)的訂書(shū)鏈，將骨架鏈折疊為正確的形狀。在該形狀中生物素位點(diǎn)的排列與加密圖案相同，可通過(guò)結(jié)合鏈霉親和素進(jìn)行識(shí)別，最終接收者將圖案解密得到文本信息。

該方法實(shí)現(xiàn)了加密術(shù)與隱寫(xiě)術(shù)的整合，采用一條長(zhǎng)7000堿基左右的骨架鏈可實(shí)現(xiàn)約700位的理論密鑰長(zhǎng)度，遠(yuǎn)超經(jīng)典AES算法的強(qiáng)度。而通過(guò)對(duì)DNA折紙不同區(qū)域位點(diǎn)的定義以及DNA折紙間的特異性識(shí)別，該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)完整性保護(hù)和訪問(wèn)控制的功能。該團(tuán)隊(duì)采用該系統(tǒng)進(jìn)行了包括文本、音符、圖片等多種形式的信息傳遞，并模擬戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了對(duì)戰(zhàn)役時(shí)間地點(diǎn)信息的保密傳遞。該DNA加密系統(tǒng)為信息安全的發(fā)展提供了一種具有巨大潛力的生物分子解決方案。

該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFA0902600）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21834007， 21675167， 21603262）、上海交通大學(xué)王寬誠(chéng)基金等資助。

原文鏈接：https：//www.nature.com/articles/s41467-019-13517-3