專利名稱：一種基于dna芯片的密碼系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息安全領(lǐng)域，特別是涉及一種基于DNA芯片密碼系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
DNA芯片技術(shù)是指在固相支持物上原位合成寡核苷酸(稱為DNA chip)或者直接將大量的DNA探針以顯微打印的方式(稱為DNA microarray)有序地固化于支持物表面，然后與標(biāo)記的樣品雜交，通過對(duì)雜交信號(hào)的檢測(cè)分析，即可獲得樣品的遺傳信息。由于常用計(jì)算機(jī)硅芯片作為固相支持物，所以稱為DNA芯片。芯片上固定的探針除了 DNA，也可以是cDNA、寡核苷酸或來自基因組的基因片段，且這些探針固化于芯片上形成基因探針陣列。因此，DNA芯片又被稱為基因芯片、cDNA芯片、寡核苷酸陣列和生物芯片等。DNA芯片被廣泛應(yīng)用于大通量的基因表達(dá)分析，對(duì)疾病的基因診斷、生物的基因組學(xué)研究具有重大的作用。由于DNA芯片的高度集成性，隨著DNA應(yīng)用于密碼學(xué)領(lǐng)域研究的不斷深入，DNA芯片也開始應(yīng)用于密碼學(xué)領(lǐng)域。2000年，Gehani等采用XOR方案設(shè)計(jì)了一個(gè)一次一密的DNA密碼系統(tǒng)，利用DNA芯片實(shí)現(xiàn)了圖像的加密。國內(nèi)的盧明欣等人也設(shè)計(jì)了基于DNA芯片對(duì)稱或非對(duì)稱密碼系統(tǒng)。但是，他們的方法存在最明顯的缺點(diǎn)是缺乏可操作性或操作成本太高。比如，每一條消息加密或解密過程都必須制作一個(gè)DNA芯片，成本巨大，信息傳遞效率極低。他們的方法也難以解決芯片雜交過程中一些假陽性的干擾問題，使得解密容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，這些DNA密碼系統(tǒng)方案僅僅是一種設(shè)想，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有進(jìn)入實(shí)用階段。為了解決目前DNA芯片 應(yīng)用于密碼學(xué)領(lǐng)域的這些問題，使得DNA芯片能在密碼學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，本發(fā)明提出了一個(gè)切實(shí)可行的、低成本及高效率的基于DNA芯片的加密和解密方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要建立一種可廣泛應(yīng)用和推廣的低成本、高效率、保密性強(qiáng)的DNA芯片密碼系統(tǒng)方法。為了達(dá)到本發(fā)明的目的，采取如下步驟和方法:(I)首先，制作隨機(jī)序列DNA芯片:隨機(jī)產(chǎn)生大量(幾千幾萬，甚至幾百萬上千萬)l_2kb的DNA序列(GC含量控制在40-60 % )，命名為G (i，j)，采取DNA合成儀自動(dòng)合成，然后以顯微打印的方式有序化地固定在表面支持物上或者在固相支持物上原位合成的方式制作DNA芯片。(2)根據(jù)DNA芯片上各隨機(jī)序列DNA片段的排列位置，得到一個(gè)隨機(jī)序列DNA片段2維分布表M。(3)制作隨機(jī)序列DNA寡核苷酸探針，并用不同顏色的熒光染料進(jìn)行標(biāo)記:DNA芯片上每個(gè)隨機(jī)序列DNA大約l-2kb長，隨機(jī)選取15個(gè)核苷酸左右的DNA序列，以其反向互補(bǔ)序列進(jìn)行DNA合成并標(biāo)記熒光染料，每個(gè)DNA芯片上的DNA可制作大量的寡核苷酸探針，成為隨機(jī)序列DNA寡核苷酸探針序列(S(i，j))。為了確保寡核苷酸探針對(duì)于隨機(jī)序列DNA片段的雜交唯一性，可使用BLAST程序?qū)λx取的寡核苷酸序列進(jìn)行全面比對(duì)檢索，確保在整個(gè)DNA芯片上的DNA序列中它是唯一的，且與其它序列的同源性低于50%。(4)信息的加密方法:信息發(fā)送方可在DNA芯片的隨機(jī)序列DNA 二維分布表M上選取代表芯片點(diǎn)陣的隨機(jī)序列DNA，也即在M平面上“書寫”任何所要傳遞的秘密信息，“筆觸”所到之處，也就自動(dòng)選取了 DNA芯片上的G(i，j)。然后，從每個(gè)選取的G(i，j)中隨機(jī)抽取寡核苷酸探針S(i，j)，混合之后就成了密文?；旌衔锟梢允欠勰部梢允侨芤?，可通過任何載體，比如塑料離心管、紙張等進(jìn)行傳送。(5)解密方法:收到寡核苷酸探針混合物之后，按照特定的雜交條件進(jìn)行芯片雜交，通過檢測(cè)S(i，j )探針與G(i，j)雜交后的熒光位置和強(qiáng)度，就可以很直觀地看見明文信息。本發(fā)明具有如下顯著的特點(diǎn):1，最顯著的特點(diǎn)是非常直觀。明文信息直接在DNA芯片的基因二維分布表M上進(jìn)行“書寫”。也即在DNA芯片上挑取組成明文信息的“點(diǎn)”。解密后明文信息可以通過芯片雜交后，檢測(cè)熒光信號(hào)直接顯示出來。在DNA芯片的基因二維分布表M上“書寫”的信息，可以是自然語目，也可以是編碼 目息，還可以是圖案彳目息等。2，DNA芯片制作一勞永逸，再不必一個(gè)消息制作一塊DNA芯片。寡核苷酸探針也可以一次制作完成，不必加密每個(gè)消息都要重新制作。因?yàn)椴煌南⒕梢允褂猛粔KDNA芯片，而加密不同的消息時(shí)，只需要在DNA芯片的基因二維分布表M上選取不同的G(i，j)，然后隨機(jī)挑取S(i，j)混合即可。也就是說，不同的S(i，j)組合就可以得到不同信息的密文。3，如果采取顯微打印的方式制作DNA陣列芯片，重新制作芯片也非常方便，只需要將DNA排列的位置進(jìn)行徹底重排就行了，不必重新合成DNA。因此，為了 DNA芯片的安全，可以經(jīng)常性地更換新的芯片。另外，更換新的DNA芯片之后，寡核苷酸探針也不必重新合成，只是要求注意G(i，j)與S(i，j)必須保持對(duì)應(yīng)關(guān)系。4，寡核苷酸探針S(i，j)混合物中也可以混入其它未標(biāo)記的DNA，不影響雜交效果，從而大大加大密碼破譯難度。5，傳遞信息明確，不受雜交假陽性和假陰性的影響。由于在二維分布圖M上進(jìn)行信息“書寫”時(shí)，可以選取多個(gè)的G(i，j)代表某個(gè)信息，因此，雜交結(jié)果中由個(gè)別假陽性或假陰性結(jié)果并不影響整體信息的認(rèn)讀。6，此外，按照本發(fā)明的方法，可以直接利用目前現(xiàn)有的DNA芯片進(jìn)行信息的加密和解密。本發(fā)明所述的DNA芯片，雖然可以是由隨機(jī)序列DNA制作而成，但是現(xiàn)有的任何DNA芯片也可以直接采用。需要另行制作的只是寡核苷酸探針S(i，j)。這就為DNA芯片密碼系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了條件。因?yàn)橹恍柙谑袌?chǎng)中購買特定的DNA芯片，然后合成特定熒光標(biāo)記的寡核苷酸探針，就可以用來加密和解密秘密消息了。由于市面上各類DNA芯片種類繁多，攻擊者必須嘗試大量的DNA芯片才可能得到正確的解密所需DNA芯片。這無疑會(huì)增加攻擊者的成本。7，或者可利用現(xiàn)有的商業(yè)化cDNA克隆來制作DNA芯片，省卻合成隨機(jī)DNA序列的成本。由于商業(yè)化的cDNA克隆來源廣泛，種類繁多，用于制作DNA芯片，其在芯片上的排列組合位置和方式無窮無盡，因此攻擊者除非獲得芯片，否則無法揭開芯片上DNA的序列以及各DNA的排列方式。8，本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于密碼領(lǐng)域的各個(gè)方面，包括秘密信息的傳遞、簽名以及防偽等。


:圖1:DNA芯片點(diǎn)陣分布圖M。標(biāo)注任意一個(gè)點(diǎn)(i, j)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)隨機(jī)DNA序列G(i，j)。圖2:密匙制作以及信息加密和解密的流程和方法
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1隨機(jī)序列DNA芯片的制作首先，獲得隨機(jī)DNA序列?？赏ㄟ^隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生由O和I數(shù)字組成的隨機(jī)序列，然后按“00 =A，01 =T，10 = G，11 = C”轉(zhuǎn)換為由“ATGC”組成的隨機(jī)DNA序列。然后，對(duì)上述產(chǎn)生隨機(jī)DNA序列進(jìn)行篩選。GC含量大于60%以及小于40%的DNA序列以及A、T、G、C相同字母或者AT以及GC連續(xù)重復(fù)8個(gè)以上的DNA序列均被排除。第三，將上述得到的長約l_2kb的DNA序列送DNA合成儀人工合成DNA片段。第四，制作一個(gè)DNA芯片點(diǎn)陣分布圖M，用Excel文件格式編制每個(gè)點(diǎn)陣對(duì)應(yīng)的DNA序列片段名稱及序列(G(i，j))。最后，通過DNA芯片制作系統(tǒng)，將上述隨機(jī)序列DNA片段顯微打印在玻璃片上，這樣隨機(jī)序列DNA芯片就制作完成了。實(shí)施例2制作隨機(jī)序列DNA寡核苷酸探針首先，對(duì)于每個(gè)隨機(jī)DNA序列G (i，j)，隨機(jī)截取其中15bp長的一段DNA序列S(i，j)，用BLAST程序?qū)λ须S機(jī)序列DNA芯片上的DNA序列G(i，j)檢索比對(duì)，若發(fā)現(xiàn)該選取的S(i，j)是唯一具有100%同源性，且與其它序列同源低于40%，則該S(i，j)就可用于合成DNA寡核苷酸探針。每個(gè)G(i，j)可以選取多個(gè)S(i，j)用于合成多份寡核苷酸探針。第二，選取的隨機(jī)DNA序列片段S(i，j)以其反向互補(bǔ)序列用DNA合成儀進(jìn)行DNA合成，每份S(i，j)分別用不同的熒光染料進(jìn)行標(biāo)記，比如用Cy3或Cy5標(biāo)記。第三，合成的寡核苷酸探針以PAGE方式純化，以粉末形式保存于離心管中。合成量可根據(jù)需要調(diào)整。如合成50D，可以按每管IOD進(jìn)行分裝。每個(gè)寡核苷酸探針需標(biāo)記好熒光染料的種類以及所對(duì)應(yīng)的隨機(jī)DNA序列G(i，j)。合成好的寡核苷酸探針可在_20°C下長期保存。使用時(shí)，按所需濃度用ddH20或TE緩沖液進(jìn)行稀釋。實(shí)施例3信息加密方法首先，明文信息的處理。根據(jù)通訊雙方的約定，明文信息可進(jìn)行各種變換，比如轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制形式、Braille代碼或Morse代碼形式等。也可以不進(jìn)行變換。然后，將上述處理的明文信息以2維點(diǎn)陣的形式在DNA芯片點(diǎn)陣分布圖M上標(biāo)注出來。其過程類似于在DNA芯片點(diǎn)陣分布圖M上進(jìn)行“書寫”，將上述明文信息“寫”在DNA芯片點(diǎn)陣分布圖M上。 第三，上述被選擇和標(biāo)注的點(diǎn)陣對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的隨機(jī)DNA序列G(i，j)。根據(jù)其被標(biāo)注的顏色以及對(duì)應(yīng)的G(i，j)，從合成的寡核苷酸探針庫中取出對(duì)應(yīng)寡核苷酸探針S(i，j)。由于每個(gè)G (i，j)對(duì)應(yīng)于多份寡核苷酸探針S (i，j)，可任意取其一份或多份進(jìn)行混合。第四，上述混合物(液體)可干燥后裝入離心管進(jìn)行攜帶。也可將混合物滴在濾紙上，用鉛筆圈上印跡，很快干燥后即可攜帶。上述混合物也可添加任何其它未標(biāo)記的DNA溶液，這些DNA可以是人工合成的DNA片段，也可以是任何自然界天然的DNA。實(shí)施例4信息解密的方法 首先，如果攜帶的DNA核苷酸探針在離心管中，可直接加入一定量的ddH20或TE緩沖液進(jìn)行溶解。如果是通過濾紙攜帶的DNA核苷酸探針，可剪下標(biāo)注DNA印跡的圓紙片，放入離心管中，滴入一定量的ddH20或TE緩沖液，然后在離心機(jī)中離心，吸取DNA溶液。然后，按照基因芯片雜交實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)。第三，雜交實(shí)驗(yàn)完成之后，用基因芯片掃描儀進(jìn)行掃描。第四，如果明文未經(jīng)轉(zhuǎn)換處理，通過基因芯片掃描儀得到的圖像，可直接閱讀。也可通過圖像處理軟件，獲得明文信息。如果明文信息進(jìn)行了變換處理，則可能獲得的圖像信息用軟件處理之后，得到明文信息。實(shí)施例5防偽應(yīng)用步驟一:制作一個(gè)隨機(jī)序列DNA芯片步驟二:制作隨機(jī)序列DNA寡核苷酸探針(所選探針需用BLAST檢驗(yàn)其與對(duì)應(yīng)的隨機(jī)序列DNA的唯一性)步驟三:設(shè)計(jì)商標(biāo)防偽圖案或者其它防偽信息步驟四:在隨機(jī)序列DNA芯片點(diǎn)陣圖上選擇對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣組成防偽圖案或防偽信息步驟五:挑選組成防偽圖案或防偽信息的點(diǎn)陣所對(duì)應(yīng)的寡核苷酸探針，混合。為了增強(qiáng)破解難度，混合物中添加其它未標(biāo)記的寡核苷酸或DNA片段。為了增強(qiáng)穩(wěn)定性，混合物以粉末形式保存。混合物可在_20°C下長期保存。防偽圖案或防偽信息可以對(duì)應(yīng)于每件單個(gè)商品，這就保證每個(gè)商品的防偽具有唯一性，完全不可仿冒。步驟六:檢驗(yàn)商品 的真?zhèn)?，只需將隨商品附帶的防偽DNA粉末送至指定檢測(cè)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行DNA芯片雜交，掃描檢測(cè)即可。
權(quán)利要求
1.一種基于DNA芯片的密碼系統(tǒng)，其特征在于按如下步驟和方法進(jìn)行: (1)首先，制作隨機(jī)序列DNA芯片:隨機(jī)產(chǎn)生大量(幾千幾萬，甚至幾百萬上千萬)l_2kb的DNA序列(GC含量控制在40-60 % )，命名為G (i，j)，采取DNA合成儀自動(dòng)合成，然后以顯微打印的方式有序化地固定在表面支持物上或者在固相支持物上原位合成的方式制作DNA芯片。
(2)根據(jù)DNA芯片上G(i，j)的排列位置，得到一個(gè)隨機(jī)序列DNA片段2維分布圖或矩陣M。
(3)制作隨機(jī)序列DNA寡核苷酸探針，并用不同顏色的熒光染料進(jìn)行標(biāo)記:DNA芯片上每個(gè)隨機(jī)序列DNA大約l-2kb長，隨機(jī)選取15個(gè)核苷酸左右的DNA序列，以其反向互補(bǔ)序列進(jìn)行DNA合成并標(biāo)記熒光染料，每個(gè)DNA芯片上的DNA可制作大量的寡核苷酸探針，成為隨機(jī)序列DNA寡核苷酸探針序列S (i，j)。為了確保寡核苷酸探針對(duì)于隨機(jī)序列DNA片段的雜交唯一性，可使用BLAST程序?qū)λx取的寡核苷酸序列進(jìn)行全面比對(duì)檢索，確保在整個(gè)DNA芯片上的DNA序列中它是唯一的，且與其它序列的同源性低于50%。
(4)信息加密方法:明文信息(可以根據(jù)約定進(jìn)行變換)以2維點(diǎn)陣的形式在DNA芯片點(diǎn)陣分布圖M上標(biāo)注出來，這些被選擇和標(biāo)注的點(diǎn)陣對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的隨機(jī)DNA序列G (i，j)。根據(jù)其被標(biāo)注的顏色以及對(duì)應(yīng)的G(i，j)，從合成的寡核苷酸探針庫中取出對(duì)應(yīng)寡核苷酸探針S(i，j)。由于每個(gè)G.(i，j)對(duì)應(yīng)于多份寡核苷酸探針S(i，j)，可任意取其一份或多份進(jìn)行混合。
(5)加密信息的傳遞:上述混 合物(液體)可干燥后裝入離心管進(jìn)行攜帶。也可將混合物滴在濾紙上，用鉛筆圈上印跡，很快干燥后即可攜帶。
(6)信息解密方法:收到寡核苷酸探針混合物之后，按照特定的雜交條件進(jìn)行芯片雜交，通過檢測(cè)S(i，j)探針與G(i，j)雜交后的熒光顏色、位置和強(qiáng)度，經(jīng)圖像處理和分析，即可得到明文信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DNA芯片，其特征在于芯片上的DNA是人工合成的隨機(jī)序列DNA (單鏈)，每個(gè)隨機(jī)序列DNA大約l-2kb，且GC含量在40-60之間；為方便及節(jié)約成本起見，也可以使用生物體中克隆的cDNA，或者混合使用人工合成隨機(jī)序列DNA與生物體中克隆的cDNA。這些DNA通過原位合成或顯微打印在固相支持物上而制成DNA芯片。每個(gè)DNA在芯片微陣列上的點(diǎn)(i，j)(第i行第j列)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)DNA序列G(i，j)，組成一個(gè)2維點(diǎn)陣分布圖或矩陣M。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DNA芯片的密碼系統(tǒng)，其特征在于，隨機(jī)序列DNA寡核苷酸探針S(i，j)是從G(i，j)隨機(jī)截取的一段大約15bp (不限于此長度)的一段DNA序列，以其反向互補(bǔ)序列進(jìn)行人工合成得到的寡核苷酸片段，該核苷酸片段在人工合成時(shí)被標(biāo)記了Cy3或Cy5等不同顏色的熒光染料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的隨機(jī)序列DNA寡核苷酸探針S(i，j)，其特征在于該探針DNA序列在DNA芯片所有DNA序列中是唯一的，其唯一性可通過BLAST進(jìn)行搜索和驗(yàn)證，并且保證該序列與其它序列的同源性低于50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DNA芯片的密碼系統(tǒng)，其特征在于所述信息加密的過程就是首先在DNA芯片DNA點(diǎn)陣分布圖或矩陣M平面上選取組成信息的點(diǎn)陣，然后在對(duì)應(yīng)的DNA序列G (i，j)中隨機(jī)選取合適的DNA探針S (i，j)，全部探針合成后各取適量探針進(jìn)行混合即可?；旌衔锟梢允欠勰┮部梢允且后w。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DNA芯片的密碼系統(tǒng)，其特征在于所述信息解密的過程就是用用探針混合物與DNA芯片進(jìn)行雜交，經(jīng)基因芯片掃描儀掃描、圖像處理和分析，即可直觀地顯示出明文信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DNA芯片的密碼系統(tǒng)，其特征在于DNA芯片可隨時(shí)更換，更換DNA芯片時(shí)無需重新合成大量的DNA片段，只需將原先的DNA片段打亂順序重新制作DNA芯片和編制相應(yīng)的G (i，j)點(diǎn)陣分布圖M即可。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DNA芯片的密碼系統(tǒng)，其特征在于寡核苷酸探針S(i，j)混合物中也可以混 入其它未標(biāo)記的DNA，不影響雜交效果，從而達(dá)到信息隱藏的效果，加大密碼破譯難度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DNA芯片的密碼系統(tǒng)，其特征在于在二維分布圖或矩陣M上進(jìn)行信息“書寫”時(shí)，可以選取多個(gè)“點(diǎn)”(i，j)代表某個(gè)信息，同時(shí)同一個(gè)“點(diǎn)”(i，j)也可以在對(duì)應(yīng)的DNA序列G (i，j)中隨機(jī)選取兩個(gè)或多個(gè)合適的DNA探針S (i，j)。因此在雜交結(jié)果中由個(gè)別假陽性或假陰性結(jié)果并不影響整體信息的認(rèn)讀，從而可確保信息傳遞的魯棒性。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于DNA芯片的密碼系統(tǒng)。該密碼系統(tǒng)所述的DNA芯片，其DNA是隨機(jī)序列G(i，j)。寡核苷酸探針S(i，j)是從DNA芯片各點(diǎn)陣對(duì)應(yīng)的隨機(jī)DNA序列G(i，j)隨機(jī)截取的一小段DNA序列(該序列需用BLAST確定其在DNA芯片中的唯一性)，以其反向互補(bǔ)序列進(jìn)行人工合成的寡核苷酸片段。信息加密就是在DNA芯片點(diǎn)陣分布圖M上標(biāo)注不同的G(i，j)以表示明文信息，然后選取與G(i，j)對(duì)應(yīng)的寡核苷酸探針S(i，j)進(jìn)行混合；信息解密就是用這些寡核苷酸探針S(i，j)與隨機(jī)序列DNA芯片進(jìn)行雜交。加密同一明文信息可以有大量不同的S(i，j)探針混合物組合，且可任意摻入任何未標(biāo)記的DNA。由于S(i，j)探針由隨機(jī)DNA序列組成，其混合物的DNA序列中不編碼任何與明文信息有關(guān)的信息，因此本密碼系統(tǒng)為不可破譯的密碼系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01N21/64GK103114127SQ20111036401
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者曾紀(jì)晴, 張明永 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院華南植物園