[发明专利]一种DNA自组装结构和基于其的对称加密系统

说明书

技术领域

本发明涉及密码学研究领域，尤其涉及DNA密码领域。

背景技术

现代密码学是基于多种困难的数学难题诸如非多项式时间完全问题(NP-C)。量子密码学则是基于海森堡不确定性原理(Heisenberg uncertain principle)的物理学难题。现代密码学和量子密码学缺乏巨大的并行能力、大规模的信息搜索，对于大量信息的加密，速度较慢，并且这些密码的密文容易被攻击者截获，可能会被破解。除此之外传统加密方法依赖于困难的数学问题，而这些问题一旦被解决就会使加密方法失效。

近年来，由于DNA分子具有的巨大并行性和高密度信息存储等优势，它已经被广泛应用于计算、数据存储、密码学等方面。DNA密码——密码学研究领域的一个新方向，是数学、信息科学、纳米技术和分子生物学多学科的交叉产物。

DNA密码由于具有超强信息存储能力受到学者们的关注，并且已经逐渐从理论发展到应用。1999年，《自然》期刊上报道了一种新型DNA“隐写术”，其通过PCR得到的包含了一段编码信息的短链DNA来实现加密和解密。从那时起，DNA密码领域的研究引起了广泛的关注。随着相关技术的发展，许多纳米技术也已经逐渐被用于DNA密码体系，例如DNA杂交，DNA自组装和链置换，DNA芯片和DNA/纳米颗粒结合体等。

综上述，如何借助DNA巨大的并行能力、大规模的信息搜索及单分子识别能力，和拥有在复杂生物体内利用不同检测方法以完成信息的变换、传送和检测的内在优势，以及基于纳米技术在大规模信息搜索中的困难性，提出一种新的DNA自组装结构；并且基于该DNA自组装结构提供一种对称加密系统，从而实现DNA密码体系中流加密法的加密和解密，保证密码的难以破解性以及提高信息存储和传送的安全性，是现有技术中的一大难题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是如何借助DNA在密码领域的优势，提供一种DNA自组装结构和基于其的对称加密系统，从而实现DNA密码体系中流加密法的加密和解密。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种DNA自组装结构，所述DNA自组装结构包括泡状结构，由DNA纳米结构与链Q，通过碱基配对形成，其中DNA纳米结构由DNA链AB与链BHQ链杂交形成。

其中，链Q包含三段序列，分别是首端序列Q1，末端序列Q2和中间序列Q3，链Q的中间序列Q3被荧光基Cy3修饰，首端序列Q1链与AB链的一部分序列互补，末端序列Q2与AB链的另一部分序列互补，所述BHQ的3’端由荧光淬灭基BHQ标记，并且它完全与AB链的中间序列互补，此时Q3被近端的BHQ的3’端的荧光淬灭基所淬灭，当Q链被置换并与AB链分离时，荧光强度将会随着荧光基和猝灭剂的分离相应地增加。

本发明还提供一种对称加密系统，其特征在于，所述对称加密系统包括所述的DNA自组装结构的，且包括异或运算操作系统。

本发明还提供根据所述的对称加密系统的一种对称加密方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：定义DNA序列编码，在异或操作中，M表示明文，S表示密钥，C是密文或荧光信号，明文M、密文或荧光信号C与密钥S分别与AB链部分区域互补，明文M、密文或荧光信号C与密钥S转化成二进制串；

步骤二：加密，构建的DNA自组装结构作为初始运算模块，加密秘钥S和明文M的DNA链，与初始运算模块进行链置换反应实施逻辑异或运算，得到密文或荧光信号C，从而完成明文M的DNA加密过程；

步骤三：解密，解密密钥S和密文或荧光信号C的DNA链，与DNA自组装结构进行链置换反应实施逻辑异或运算，从而完成密文或荧光信号C的DNA解密过程；

其中，明文M的每一位的异或操作是在单独的试管中完成的。

优选地，加密和解密过程中，DNA自组装结构的AB链分别是AB1链和AB2链，AB1链和AB2链的特异性识别区域不同，且加密密钥和解密密钥的DNA序列不同。

优选地，对明文M执行异或操作实现信息的加密时，产生荧光信号表示“1”，没有产生荧光信号表示“0”，所有位的荧光信号连在一起表示密文，然后传送给接收方。

(三)有益效果