樊春海课题组：开发出基于DNA 折纸技术的新型分子加密系统

menwei

上海交通大学化学化工学院樊春海教授团队开发了一套以DNA折纸技术为基础的分子加密系统。该系统超越了基于硅基计算机的常规加密体系，且同时具有保护信息完整性和访问控制的功能。相关论文以“DNA origami cryptography for secure communication”为题发表于Nature Communications (2019)10:5469。张祎男博士和王飞博士为共同第一作者，同济大学化学科学与工程学院柳华杰教授为共同通讯作者。

       信息安全的三个要素CIA，包括了机密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）和可用性（Availability），在当今社会信息安全中起到了关键作用。为了适应日益提高的CIA需求，基于硅基计算机的体系采用了越来越复杂的加密算法。而基于生物分子的加密则采用热动力学控制的生物分子反应来执行加密过程，具有很高的特异性，有可能避免来自计算机的攻击。其中，基于DNA分子反应的文本信息隐写术得到了很大关注。
       樊春海团队在长期从事DNA自组装研究的基础上，提出应用DNA折纸技术来编码信息，以充分挖掘DNA在多维度加密应用上的潜力。DNA折纸技术的原理为通过几百条短链对于一条长骨架链的任意折叠，以得到不同形状的DNA结构。利用DNA折纸术可以构建任意图案且可以实现完全的物理可寻址。他们以此为基础，开发出一套安全有效的DNA origami cryptography（DOC）加密系统。在该系统中，发送者首先将文本信息加密为类似盲文图案的点阵排列，然后以骨架链的折叠作为密钥将点阵排列进一步加密为杂交若干生物素化短链的骨架链。接收者通过共享骨架链折叠的密钥可以生成对应的订书链，将骨架链折叠为正确的形状。在该形状中生物素位点的排列与加密图案相同，可通过结合链霉亲和素进行识别，最终接收者将图案解密得到文本信息。
       该方法实现了加密术与隐写术的整合，采用一条长7000碱基左右的骨架链可实现约700位的理论密钥长度，远超经典AES算法的强度。而通过对DNA折纸不同区域位点的定义以及DNA折纸间的特异性识别，该系统还可实现完整性保护和访问控制的功能。该团队采用该系统进行了包括文本、音符、图片等多种形式的信息传递，并模拟战争环境实现了对战役时间地点信息的保密传递。该DNA加密系统为信息安全的发展提供了一种具有巨大潜力的生物分子解决方案。
       该工作得到了国家重点研发计划项目（2018YFA0902600）、国家自然科学基金项目（21834007, 21675167, 21603262）、上海交通大学王宽诚基金等资助。
      原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13517-3


    DNA折纸术就是将天然DNA单链中的长链进行反复折叠，并用短链加以固定，由此就能绘出方形、星形等一系列对称的DNA图形。半导体行业恰好可以利用这一点。据了解，在IBM的构想中，利用DNA分子结构研制的芯片上，其电子线路间的距离将仅为6纳米左右，相比起目前的45纳米标准，这将是一个大幅改进。利用这种技术，IBM公司将研制出更小、更便宜的微处理器芯片。
      樊春海，上海交通大学教授，中国科学院院士。主要从事核酸分析化学、DNA纳米技术、生物光子学方面的研究。至今累计在Nature、Nature子刊等发表SCI论文300余篇（引用约3万次，H因子87）。已申请8项美国、国际专利和50余项中国专利。美国科学促进会会士(AAAS)、美国医学与生物工程院(AIMBE)、英国皇家化学会会士(RSC)、国际电化学学会会士(ISE)、全球高被引科学家、国家自然科学二等奖、上海市自然科学一等奖、美国化学会测量科学进展讲座奖、第十二届中国青年科技奖、中国科学院杰出青年科学家奖、国家万人计划领军人才、“百千万人才”国家级人选、中国分析测试协会科学技术奖一等奖、上海市领军人才等。