DNA密碼是伴隨著DNA計(jì)算的研究而出現(xiàn)的密碼學(xué)前沿領(lǐng)域，為此我們結(jié)合現(xiàn)代基因工程技術(shù)和密碼學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)對稱加密系統(tǒng)。

一、加密流程

現(xiàn)在，我們具體描述DNADSE。首先擴(kuò)展密碼系統(tǒng)的定義如下：

假設(shè)發(fā)送者為Alice，她擁有加密鑰KA.指定的接收者為Bob，他擁有解密鑰KB(KA=KB或者KA:# KB)，Alice使用KA通過一個(gè)變換E把明文P裝換成密文C，除非擁有KB，從C得到P是困難的。我們稱變換E為加密過程，C是密文，Bob收到密文C后，利用解密鑰KB和密文C進(jìn)行一個(gè)變換D得到明文P。這里，KA和KB以及C并不限于數(shù)字，還可以是量子或者DNA等任意的材料、方法等等，E和D也不僅僅限于數(shù)學(xué)計(jì)算，而可以是任意的物理、化學(xué)、生物等過程。

系統(tǒng)的總體步驟如下：

步驟A密鑰生成

加密鑰是一個(gè)特定探針的集合，解密鑰是一個(gè)對應(yīng)的互補(bǔ)探針的集合，雜交條件也可以作為解密鑰的組成部分．發(fā)送者Alice從已有的實(shí)驗(yàn)中挑選探針作為加密鑰解密鑰通過安全的途徑傳送給指定的接收者Bob。

步驟B加密

Alice首先把明文轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制矩陣，然后根據(jù)這個(gè)矩陣用加密鑰制作DNA芯片，在沒有解密鑰的情況下，從芯片上讀出明文是困難的，這類似于量子密碼。量子密碼是由于測不準(zhǔn)原理難以測定量子狀態(tài)，而在DNASC中是由于DNA技術(shù)的局限性無法讀取芯片上的特殊探針。在DNASC的加密步驟中引入了隨機(jī)化的過程，這使得加密過程在一定程度上類似于一次一密。

步驟C解密

Bob使用解密鑰和DNA芯片（密文）雜交從而得到雜交信號，這是一個(gè)生物過程而非數(shù)學(xué)計(jì)算，然后Bob利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行一個(gè)信號處理過程得到明文。

下面借助一個(gè)例子詳細(xì)解釋這個(gè)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)：

步驟1密鑰生成，首先，我們要做一個(gè)DNA雜交實(shí)驗(yàn)或者從一個(gè)已知的實(shí)驗(yàn)中挑選探針作為密鑰（這個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該保密）。這里，我們使用一個(gè)已知的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)并不是為了加密而設(shè)計(jì)的，我們只是利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)演示一下加密系統(tǒng)。在實(shí)際中，應(yīng)該如本文所述重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表達(dá)數(shù)據(jù)反映了酵母從無氧呼吸（發(fā)酵）到有氧呼吸的代謝轉(zhuǎn)變的過程中基因轉(zhuǎn)錄譜的變化。代表已知的所有酵母基因的6400個(gè)cDNA探針被事先點(diǎn)樣在基因芯片上，而從上述兩種代謝條件下的酵母體內(nèi)提取的RNA則用不同的熒光探針標(biāo)記作為被檢測探針和該芯片上的探針雜交，雜交的結(jié)果可以用來分析整個(gè)基因組的基因轉(zhuǎn)錄水平的變化。具體地說就是從接種9小時(shí)后的酵母細(xì)胞（發(fā)酵狀態(tài)）中抽取的RNA反轉(zhuǎn)錄獲得的cDNA探針用綠色熒光分子Cy3標(biāo)記，在雜交實(shí)驗(yàn)中作為參照系；而從接種后19小時(shí)的酵母細(xì)胞（有氧呼吸狀態(tài)）制備的cDNA分子用紅色熒光分子Cy5標(biāo)記。雜交的結(jié)果可以用掃描熒光共聚焦顯微鏡觀察并記錄不同波長的熒光信號（紅色和綠色熒光）。兩種熒光的掃描圖像可以經(jīng)由軟件進(jìn)行整合分析來推斷特定基因在兩種呼吸模式轉(zhuǎn)換時(shí)表達(dá)量的變化，如圖1中原始芯片圖所示，在由發(fā)酵到有氧呼吸的代謝狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，被誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄（轉(zhuǎn)錄水平提高）的基因的對應(yīng)的點(diǎn)顯示為紅色，反之為綠色，而基因表達(dá)水平幾乎不變的基因則顯示為黃色。

第二，我們從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中分別挑選探針作為加密鑰和解密鑰使用，我們把芯片上的所有候選探針（未標(biāo)記）作為集合屈DNA湯中所有目標(biāo)探針（已標(biāo)記）作為集合α。根據(jù)雜交結(jié)果和雜交條件，分別選擇合理的標(biāo)準(zhǔn)U和S用以挑選探針對，當(dāng)然，集合β中的探針并不需要分離出來．滿足標(biāo)準(zhǔn)S的探針對用于表示二進(jìn)制數(shù)字1，滿足標(biāo)準(zhǔn)U的探針對用于表示數(shù)字0。集合β由表示0的子集β0和表示1的子集βl組成，注意到β0∩β1=φ。這里，表示1的點(diǎn)滿足標(biāo)準(zhǔn)(G6.Bkg≥10000)∧(R6.Ratio≤0.3 3)或(G6.Bkg≥10000)∧(R6.Ratio≥3)或(G6.Bkg≥8000)∧(R6.Bkg≥8000)∧(R6.Ratio≥0.8)∧(R6.Ratlo<1.3)，表示O的點(diǎn)滿足(G6.Bkg≤
1000)∧(R6.Bkg≤1000)，其余的點(diǎn)拋棄不用，其中G6和R6代表Cy3和Cy5標(biāo)記的cDNA探針在芯片上雜交信號強(qiáng)度，而R6.Ratio就代表某個(gè)芯片上點(diǎn)的紅色熒光信號強(qiáng)度相對于綠色熒光信號的比值，而Bkg則代表背景信號的強(qiáng)度值，文中引用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為附屬材料列在表中。探針集合β0、β1作為加密鑰，Ek=β0∪β1探針集合口以及解密時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件共同作為解密鑰Dk。

步驟2 數(shù)據(jù)預(yù)處理，我們挑選愛因斯坦的名言“hnagination is more important than knowl-edge (Albert Einstein)”作為加密的明文。首先要把這句話按照ASCII碼的編碼規(guī)則轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制比特串，并用“00000000"填充，得到一個(gè)21x24的矩陣（具體見圖1中的二進(jìn)制虛擬芯片）。

步驟3加密，根據(jù)圖l中的二進(jìn)制虛擬芯片，從芯片上提取點(diǎn)制作新的芯，．集合β0、β1中的點(diǎn)被放置在玻璃或者硅芯片的對應(yīng)位置上，愛因斯坦的名言就加密在芯片上了。圖1中的密文芯片就是加密后得到的密文。加密芯片可以通過公開的途徑發(fā)送而不用擔(dān)心安全問題，只有指定的接收者擁有解密鑰并且知道雜交條件從而能夠解密。

步驟4解密，解密的過程首先是雜交的過程。指定的接收者用解密鑰和DNA芯片（密文芯片）進(jìn)行雜交。雜交的結(jié)果是可重復(fù)的，當(dāng)同樣的目的cDNA樣本退火到芯片上的時(shí)候，將會得到類似于雜交信號，解密芯片的雜交結(jié)果見圖1中的解密芯片圖。

步驟5數(shù)據(jù)后處理，得到所有的雜交信號后，可以看到解密芯片上包含亮度較高的彩色點(diǎn)以及亮度極低的黑色點(diǎn)，這些信號可以通過一個(gè)簡單的信號處理過程轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制矩陣。轉(zhuǎn)換的規(guī)則是，解密芯片上亮度比較高的彩色點(diǎn)都對應(yīng)二進(jìn)制矩陣中的1，亮度低的黑色點(diǎn)都對應(yīng)二進(jìn)制矩陣中的0，然后，根據(jù)ASCII碼的編碼規(guī)則，把二進(jìn)制矩陣轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的英文字母，愛因斯坦的名言就恢復(fù)出來。

二、安全性和并行性

DNASC具有兩層安全性：第一層安全性是生物技術(shù)的局限性提供的，是該系統(tǒng)主要的安全依據(jù)。第二層安全性是計(jì)算問題，即使攻擊者突破了第一層安全性，在沒有解密鑰的情形下，他還必須具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)存儲能力才能破譯DNASC。

1、第一層安全性（生物學(xué)安全性）

指定的接收者用解密鑰中的探針和加密芯片（密文）雜交，然后根據(jù)雜交信號恢復(fù)出明文。因?yàn)榭赡艿拿荑€組成數(shù)量非常大，攻擊者不可能碰巧猜出。在沒有解密鑰的情形下，攻擊者要想得到芯片上的明文信息，他或者是隨便找些探針和芯片進(jìn)行雜交，根據(jù)雜交結(jié)果嘗試找出解密鑰，或者嘗試得到芯片上的探針組成并分析出相應(yīng)點(diǎn)的含義。

如果一個(gè)攻擊者隨便選取一些DNA湯和加密芯片（密文）進(jìn)行雜交，由于他選取的DNA和解密鑰大不相同，得到的雜交信號將會和利用解密鑰得到的雜交信號有極大的不同，通常，他選擇的DNA湯很難和芯片上的探針有效雜交上，因而只能得到一些很微弱并且雜亂的雜交信號，這樣的信號對于解密幾乎沒有任何幫助，事實(shí)上，即使攻擊者得到了解密鑰中的探針如果不知道解密時(shí)的雜交條件，也會因?yàn)樗玫降碾s交結(jié)果有巨大的誤差而難以正常解密。

2、第二層安全性（計(jì)算安全性）

如果很多年以后可以在沒有解密鑰的情形下精確并且高效的識別出芯片上每個(gè)點(diǎn)的所有探針，DNASC的第一層安全性就被突破了，但這并不意味著DNASC就不安全了，編碼技術(shù)提供了系統(tǒng)的第二層安全性。

3、存儲能力和計(jì)算能力

雖然Adleman等人證明DNA計(jì)算具有驚人的并行計(jì)算潛力和數(shù)據(jù)存儲潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中不易得到體現(xiàn)。DNASC從一個(gè)方面展現(xiàn)了DNA計(jì)算在超大規(guī)模并行計(jì)算和超高容量的數(shù)據(jù)存儲方面的巨大潛力。

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