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信息安全的三個(gè)要素CIA，包括了機(jī)密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）和可用性（Availability），在當(dāng)今社會(huì)信息安全中起到了關(guān)鍵作用。為了適應(yīng)日益提高的CIA需求，基于硅基計(jì)算機(jī)的體系采用了越來越復(fù)雜的加密算法。而基于生物分子的加密則采用熱動(dòng)力學(xué)控制的生物分子反應(yīng)來執(zhí)行加密過程，具有很高的特異性，有可能避免來自計(jì)算機(jī)的攻擊。其中，基于DNA分子反應(yīng)的文本信息隱寫術(shù)近些年來受到廣泛關(guān)注。

樊春海與柳華杰團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事DNA自組裝研究，研究人員提出應(yīng)用DNA折紙技術(shù)來編碼信息，以充分挖掘DNA在多維度加密應(yīng)用上的潛力。DNA折紙技術(shù)的原理為通過幾百條短鏈對(duì)于一條長(zhǎng)骨架鏈的任意折疊，以得到不同形狀的DNA結(jié)構(gòu)。利用DNA折紙術(shù)可以構(gòu)建任意圖案且可以實(shí)現(xiàn)完全的物理可尋址。在此基礎(chǔ)上，研究人員開發(fā)出一套安全有效的DNA origami cryptography（DOC）加密系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，發(fā)送者首先將文本信息加密為類似盲文圖案的點(diǎn)陣排列，然后以骨架鏈的折疊作為密鑰將點(diǎn)陣排列進(jìn)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(duì)應(yīng)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(diǎn)的排列與加密圖案相同，可通過結(jié)合鏈霉親和素進(jìn)行識(shí)別，最終接收者將圖案解密得到文本信息。

該方法實(shí)現(xiàn)了加密術(shù)與隱寫術(shù)的整合，采用一條長(zhǎng)7000堿基左右的骨架鏈可實(shí)現(xiàn)約700位的理論密鑰長(zhǎng)度，遠(yuǎn)超經(jīng)典AES算法的強(qiáng)度。而通過對(duì)DNA折紙不同區(qū)域位點(diǎn)的定義以及DNA折紙間的特異性識(shí)別，該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)完整性保護(hù)和訪問控制的功能。該團(tuán)隊(duì)采用該系統(tǒng)進(jìn)行了包括文本、音符、圖片等多種形式的信息傳遞，并模擬戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了對(duì)戰(zhàn)役時(shí)間地點(diǎn)信息的保密傳遞。該DNA加密系統(tǒng)為信息安全的發(fā)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFA0902600）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21834007, 21675167, 21603262）、上海交大王寬誠(chéng)基金會(huì)等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：

DNA origami cryptography for secure communication | Nature Communications

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