樊春海教授團隊發展出基于DNA 折紙技術的新型分子加密系統

近日，上海交通大學化學與化工學院樊春海教授團隊發展了一套以DNA折紙技術為基礎的分子加密系統。該系統超越了基于硅基計算機的常規加密體系，且同時具有保護信息完整性和訪問控制的功能。相關論文以“DNA origami cryptography for secure communication”為題發表于Nature Communications （2019）10：5469。張祎男博士和王飛博士為共同第一作者，同濟大學化學科學與工程學院柳華杰教授為共同通訊作者。

信息安全的三個要素CIA，包括了機密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）和可用性（Availability），在當今社會信息安全中起到了關鍵作用。為了適應日益提高的CIA需求，基于硅基計算機的體系采用了越來越復雜的加密算法。而基于生物分子的加密則采用熱動力學控制的生物分子反應來執行加密過程，具有很高的特異性，有可能避免來自計算機的攻擊。其中，基于DNA分子反應的文本信息隱寫術得到了很大關注。

樊春海教授團隊在長期從事DNA自組裝研究的基礎上，提出應用DNA折紙技術來編碼信息，以充分挖掘DNA在多維度加密應用上的潛力。

DNA折紙技術的原理為通過幾百條短鏈對于一條長骨架鏈的任意折疊，以得到不同形狀的DNA結構。利用DNA折紙術可以構建任意圖案且可以實現完全的物理可尋址。

他們以此為基礎，開發出一套安全有效的DNA origami cryptography（DOC）加密系統。在該系統中，發送者首先將文本信息加密為類似盲文圖案的點陣排列，然后以骨架鏈的折疊作為密鑰將點陣排列進一步加密為雜交若干生物素化短鏈的骨架鏈。接收者通過共享骨架鏈折疊的密鑰可以生成對應的訂書鏈，將骨架鏈折疊為正確的形狀。在該形狀中生物素位點的排列與加密圖案相同，可通過結合鏈霉親和素進行識別，最終接收者將圖案解密得到文本信息。

該方法實現了加密術與隱寫術的整合，采用一條長7000堿基左右的骨架鏈可實現約700位的理論密鑰長度，遠超經典AES算法的強度。而通過對DNA折紙不同區域位點的定義以及DNA折紙間的特異性識別，該系統還可實現完整性保護和訪問控制的功能。該團隊采用該系統進行了包括文本、音符、圖片等多種形式的信息傳遞，并模擬戰爭環境實現了對戰役時間地點信息的保密傳遞。該DNA加密系統為信息安全的發展提供了一種具有巨大潛力的生物分子解決方案。

該工作得到了國家重點研發計劃項目（2018YFA0902600）、國家自然科學基金項目（21834007， 21675167， 21603262）、上海交通大學王寬誠基金等資助。

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