清華大學(xué)熊卓課題組開發(fā)一種基于多色熒光微點(diǎn)陣和DNA固相反應(yīng)的數(shù)據(jù)加密存儲技術(shù)

來源： 生物打印與再生工程

響應(yīng)特定刺激的多色熒光加密系統(tǒng)具有便捷的數(shù)據(jù)訪問能力與較低的成本，因而在數(shù)據(jù)存儲與加密領(lǐng)域引發(fā)廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)有加密系統(tǒng)受限于加密材料特性，難以實(shí)現(xiàn)深層次加密。

基于這一挑戰(zhàn)，清華大學(xué)機(jī)械系熊卓課題組在ACS Appl Mater Interfaces (lF=8.8)雜志上發(fā)表最新研究成果: “High-Security Data Encryption Enabled by DNA Multi-Strand Solid-Phase Hybridization and Displacement in Inkjet-Printed Microarrays”。 本研究采用熒光DNA分子作為加密載體，在固相界面上噴墨打印形成了多色熒光微陣列，構(gòu)建了基于DNA雜交與鏈置換機(jī)制的多色熒光數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了兼具深度和靈活性的加密體系。

清華大學(xué)機(jī)械系博士研究生裴犇為本文的第一作者，清華大學(xué)機(jī)械系熊卓教授為本文的通訊作者。

隨著數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，確保數(shù)據(jù)安全已成為一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，尤其是在金融等領(lǐng)域。為滿足這一需求，研究日益聚焦于防偽技術(shù)、光學(xué)加密系統(tǒng)和分子數(shù)據(jù)編碼策略，為提高數(shù)據(jù)安全性和完整性提供了創(chuàng)新方法。

在這些方法中，基于比色變化的光學(xué)加密技術(shù)尤為引人注目。其利用加密材料可在外部刺激下發(fā)生特定顏色轉(zhuǎn)變的特性進(jìn)行加密，具有較高的成本效益和快速的響應(yīng)時間，是實(shí)際應(yīng)用的理想選擇。此外，為保證有效的數(shù)據(jù)安全性，多種加密方法也已被開發(fā)。然而，這些方法大多依賴于特定外部刺激，故加密深度有限。DNA分子作為一種具有高密度數(shù)據(jù)存儲潛力的材料，可在有限空間內(nèi)編碼大量數(shù)據(jù)，且能通過高特異性的雜交、鏈置換和折紙技術(shù)實(shí)現(xiàn)多樣化操作，從而提供更廣泛的加密選項(xiàng)并增強(qiáng)加密深度。

然而，目前仍缺乏基于耦合DNA鏈置換的有效多位熒光加密系統(tǒng)。這是因?yàn)橄到y(tǒng)既需要在小空間實(shí)現(xiàn)高存儲密度，又需滿足多位熒光陣列圖案形成的復(fù)雜性，同時在固相系統(tǒng)中需實(shí)現(xiàn)耦合DNA雜交與鏈置換所需的多組分反應(yīng)。為了解決上述矛盾，本研究提出了一種基于噴墨打印微陣列的新型多色熒光存儲系統(tǒng)。這一低成本、高效率的方法采用單鏈DNA自組裝形成的單分子層作為基底，通過噴墨打印將熒光標(biāo)記的DNA鏈精準(zhǔn)沉積至特定位置，使其與基底DNA雜交形成熒光陣列用于數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)還引入與數(shù)據(jù)鏈具有相同熒光特性的特殊干擾鏈，這些干擾鏈可與數(shù)據(jù)鏈耦合，并通過解密鏈引發(fā)DNA鏈置換反應(yīng)被選擇性移除，從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的加密與解密。通過整合熒光DNA分子、噴墨打印等要素，該系統(tǒng)提供了一種實(shí)用且創(chuàng)新的解決方案，為DNA分子及先進(jìn)加密技術(shù)的應(yīng)用開辟了新視角。

系統(tǒng)原理
該系統(tǒng)通過DNA固相雜交和鏈置換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和加密。數(shù)據(jù)存儲的原理為，帶有熒光的數(shù)據(jù)DNA（Data DNA）鏈被雜交在支持DNA（Support DNA）的紅、綠、藍(lán)三個雜交序列上形成熒光點(diǎn)（圖1a），其中有熒光表示“1”，無熒光表示“0”。這三個雜交序列由間隔序列相互隔開。類似地，為了加密數(shù)據(jù)，干擾DNA（Interference DNA）被隨機(jī)在支持DNA的可用序列上，以模糊原始數(shù)據(jù)。相應(yīng)的解密DNA鏈可與干擾DNA鏈上的靶點(diǎn)雜交，并通過鏈置換促進(jìn)其移除。一旦干擾DNA被置換并清除，原始數(shù)據(jù)即可被解密。

基于這一基本原理，DNA分子可以作為加密材料用于各種形式的數(shù)據(jù)加密。如圖1b中的例子所示，原始數(shù)據(jù)“CORRECT”被編碼為多色熒光組合點(diǎn)并進(jìn)行加密。通過噴墨打印數(shù)據(jù)和干擾DNA，熒光數(shù)據(jù)點(diǎn)被重新排列形成編碼掩蓋數(shù)據(jù)“ABCDEFGH”的圖案。讀取該圖案時，只能獲得掩蓋后的數(shù)據(jù)。當(dāng)加入錯誤解密DNA時，讀取熒光組合點(diǎn)將產(chǎn)生垃圾數(shù)據(jù)。唯有正確的解密DNA能準(zhǔn)確去除干擾DNA，使真實(shí)數(shù)據(jù)得以被還原。

圖1 數(shù)據(jù)加密的機(jī)制與過程

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過噴墨打印和DNA雜交生成的多色熒光數(shù)據(jù)存儲點(diǎn)陣

本研究提出了一種基于多色點(diǎn)陣的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過噴墨打印技術(shù)制作，由標(biāo)記有不同熒光染料的DNA鏈構(gòu)建而成。圖2a展示了多DNA打印及雜交測試的設(shè)計方案，用于證明多種DNA鏈雜交的準(zhǔn)確性。如圖2b所示，可以通過不同波長的激光照射來對多色熒光點(diǎn)進(jìn)行讀取。圖2c展示了噴墨打印的工藝流程。圖2d展示了DNA微液滴打印與液滴融合的效果，圖2e表明融合液滴數(shù)量與液滴半徑立方呈正比關(guān)系。圖f展示了多色打印測試中的熒光效果，圖2g展示了圖1b中所提到樣例的實(shí)際效果。

圖2 基于DNA雜交數(shù)據(jù)存儲的噴墨打印多色熒光點(diǎn)陣列原理及演示

基于序列的熒光DNA鏈加密
圖3a為基于DNA鏈置換的加密與解密原理示意圖。如圖所示，特定干擾鏈僅能與正確的解密鏈發(fā)生鏈置換反應(yīng)，從而被移除，而數(shù)據(jù)鏈在解密過程中得以保留。圖3b為 DNA鏈置換解密的熒光點(diǎn)陣結(jié)果。圖3c表示了DNA鏈置換解密相對熒光強(qiáng)度結(jié)果，以真實(shí)數(shù)據(jù)鏈強(qiáng)度為參考值。該結(jié)果表明，只有特定的解密鏈才能夠移除對應(yīng)干擾鏈，而數(shù)據(jù)鏈不受影響。

圖3 基于DNA序列的DNA鏈位移解密

基于組合結(jié)構(gòu)的多色熒光DNA鏈加密
圖4a, b展示了系統(tǒng)中兩種不同的加密結(jié)構(gòu)：并行加密與順序加密。并行加密時，加入解密鏈的順序?qū)�解密效果無影響；順序加密時，只有按一定順序加入解密鏈才能成功。圖4c，d分別展示了并行加密與順序加密的實(shí)現(xiàn)原理。當(dāng)加入的兩條熒光干擾鏈相互獨(dú)立時，即為并行加密。當(dāng)干擾鏈相互耦合時，即為順序加密。值得注意的是，在順序加密中，干擾鏈C*沒有與解密鏈結(jié)合的靶點(diǎn)。為了將其移除，需要使用一種特殊的解密DNA與支持DNA雜交，驅(qū)動干擾鏈C*的鏈置換。而干擾鏈B*含有一個與間隔序列互補(bǔ)的額外序列，從而阻止特殊的解密DNA與支持DNA結(jié)合，保護(hù)干擾鏈C。

圖4e, f展示了并行與順序解密實(shí)驗(yàn)的微觀結(jié)果，圖g，h則表示了實(shí)驗(yàn)的相對熒光強(qiáng)度結(jié)果。該結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了并行與順序加密的可行性。

圖4 多色DNA鏈位移加密與解密

數(shù)據(jù)加密驗(yàn)證
為了驗(yàn)證鏈置換加密系統(tǒng)的有效性，本研究提出了一種結(jié)合了并行與順序加密的加密方法。如圖5a所示，干擾鏈被加入了空白點(diǎn)位、單一紅色點(diǎn)位和單一綠色點(diǎn)位中以加密。圖5b則展示了加密所使用的DNA結(jié)構(gòu)。圖5c中的熒光顯微鏡顯示，隨著解密鏈按順序加入，干擾熒光點(diǎn)被移除，最終只留下數(shù)據(jù)熒光點(diǎn)。如圖d所示，沒有解密時，熒光陣列產(chǎn)生了被遮蔽的數(shù)據(jù)。如圖e所示，應(yīng)用正確的解密鏈后，熒光信號即被解碼為真實(shí)數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)據(jù)加密和解密演示

總結(jié)與展望
本研究介紹了一種基于DNA的數(shù)據(jù)存儲和加密系統(tǒng)。該系統(tǒng)在通過噴墨打印形成的微陣列上實(shí)現(xiàn)了固相DNA雜交和鏈置換，設(shè)計了一個由DNA序列和組合結(jié)構(gòu)控制的加密系統(tǒng)。DNA序列具有極高的數(shù)據(jù)存儲密度，為安全數(shù)據(jù)存儲提供了顯著的加密深度。多個加密鏈之間的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了加密的復(fù)雜性和靈活性，拓寬了加密的維度。盡管該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的加密機(jī)制，但噴墨打印技術(shù)能夠快速、經(jīng)濟(jì)地將不同的DNA鏈同時沉積到特定的陣列中。解密過程通過簡單的DNA鏈置換完成，確保了數(shù)據(jù)檢索的簡便性。

該系統(tǒng)可以通過額外的DNA組合和設(shè)計輕松擴(kuò)展出更具多樣性和靈活性的加密功能。將DNA數(shù)據(jù)存儲和計算技術(shù)與本文提出的基于噴墨打印微陣列的固相反應(yīng)系統(tǒng)相結(jié)合，可以為存儲和加密開辟更多的可能性。

參考文獻(xiàn)
Pei B, Ma J, Ouyang L, et all. High-Security Data Encryption Enabled by DNA Multi-Strand Solid-Phase Hybridization and Displacement in Inkjet-Printed Microarrays[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025,17(6): 10179-10190.

網(wǎng)頁鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c21723