[發明專利]一種DNA自組裝結構和基于其的對稱加密系統

有效

• 申請號: 201410219347.5
• 申請日: 2014-05-22
• 公開（公告）號: CN103997404B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 楊靜;張成;宋智超
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H04L9/06
• 分類號: H04L9/06
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 李迪

技術領域

本發明涉及密碼學研究領域，尤其涉及DNA密碼領域。

背景技術

現代密碼學是基于多種困難的數學難題諸如非多項式時間完全問題(NP-C)。量子密碼學則是基于海森堡不確定性原理(Heisenberg uncertain principle)的物理學難題。現代密碼學和量子密碼學缺乏巨大的并行能力、大規模的信息搜索，對于大量信息的加密，速度較慢，并且這些密碼的密文容易被攻擊者截獲，可能會被破解。除此之外傳統加密方法依賴于困難的數學問題，而這些問題一旦被解決就會使加密方法失效。

近年來，由于DNA分子具有的巨大并行性和高密度信息存儲等優勢，它已經被廣泛應用于計算、數據存儲、密碼學等方面。DNA密碼——密碼學研究領域的一個新方向，是數學、信息科學、納米技術和分子生物學多學科的交叉產物。

DNA密碼由于具有超強信息存儲能力受到學者們的關注，并且已經逐漸從理論發展到應用。1999年，《自然》期刊上報道了一種新型DNA“隱寫術”，其通過PCR得到的包含了一段編碼信息的短鏈DNA來實現加密和解密。從那時起，DNA密碼領域的研究引起了廣泛的關注。隨著相關技術的發展，許多納米技術也已經逐漸被用于DNA密碼體系，例如DNA雜交，DNA自組裝和鏈置換，DNA芯片和DNA/納米顆粒結合體等。

綜上述，如何借助DNA巨大的并行能力、大規模的信息搜索及單分子識別能力，和擁有在復雜生物體內利用不同檢測方法以完成信息的變換、傳送和檢測的內在優勢，以及基于納米技術在大規模信息搜索中的困難性，提出一種新的DNA自組裝結構；并且基于該DNA自組裝結構提供一種對稱加密系統，從而實現DNA密碼體系中流加密法的加密和解密，保證密碼的難以破解性以及提高信息存儲和傳送的安全性，是現有技術中的一大難題。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題就是如何借助DNA在密碼領域的優勢，提供一種DNA自組裝結構和基于其的對稱加密系統，從而實現DNA密碼體系中流加密法的加密和解密。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種DNA自組裝結構，所述DNA自組裝結構包括泡狀結構，由DNA納米結構與鏈Q，通過堿基配對形成，其中DNA納米結構由DNA鏈AB與鏈BHQ鏈雜交形成。

其中，鏈Q包含三段序列，分別是首端序列Q1，末端序列Q2和中間序列Q3，鏈Q的中間序列Q3被熒光基Cy3修飾，首端序列Q1鏈與AB鏈的一部分序列互補，末端序列Q2與AB鏈的另一部分序列互補，所述BHQ的3’端由熒光淬滅基BHQ標記，并且它完全與AB鏈的中間序列互補，此時Q3被近端的BHQ的3’端的熒光淬滅基所淬滅，當Q鏈被置換并與AB鏈分離時，熒光強度將會隨著熒光基和猝滅劑的分離相應地增加。

本發明還提供一種對稱加密系統，其特征在于，所述對稱加密系統包括所述的DNA自組裝結構的，且包括異或運算操作系統。

本發明還提供根據所述的對稱加密系統的一種對稱加密方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：定義DNA序列編碼，在異或操作中，M表示明文，S表示密鑰，C是密文或熒光信號，明文M、密文或熒光信號C與密鑰S分別與AB鏈部分區域互補，明文M、密文或熒光信號C與密鑰S轉化成二進制串；

步驟二：加密，構建的DNA自組裝結構作為初始運算模塊，加密秘鑰S和明文M的DNA鏈，與初始運算模塊進行鏈置換反應實施邏輯異或運算，得到密文或熒光信號C，從而完成明文M的DNA加密過程；

步驟三：解密，解密密鑰S和密文或熒光信號C的DNA鏈，與DNA自組裝結構進行鏈置換反應實施邏輯異或運算，從而完成密文或熒光信號C的DNA解密過程；

其中，明文M的每一位的異或操作是在單獨的試管中完成的。

優選地，加密和解密過程中，DNA自組裝結構的AB鏈分別是AB1鏈和AB2鏈，AB1鏈和AB2鏈的特異性識別區域不同，且加密密鑰和解密密鑰的DNA序列不同。

優選地，對明文M執行異或操作實現信息的加密時，產生熒光信號表示“1”，沒有產生熒光信號表示“0”，所有位的熒光信號連在一起表示密文，然后傳送給接收方。

(三)有益效果