清華大学の熊卓の研究グループは、多色蛍光マイクロアレイとDNA固相反応に基づくデータ暗号化ストレージ技術を開発した。

出典: バイオプリンティングと再生工学

特定の刺激に反応する多色蛍光暗号化システムは、データアクセス機能が便利でコストが低いため、データストレージと暗号化の分野で広く注目を集めています。しかし、既存の暗号化システムは暗号化材料の特性によって制限されており、深層暗号化を実現することは困難です。

この課題に基づいて、清華大学機械工学部の熊卓氏が率いる研究グループは、ACS Appl Mater Interfaces誌（lF=8.8）に最新の研究成果「インクジェット印刷マイクロアレイにおけるDNA多重鎖固相ハイブリダイゼーションと置換による高セキュリティデータ暗号化」を発表しました。本研究では、蛍光DNA分子を暗号化キャリアとして用い、固相界面上にインクジェット印刷により多色蛍光マイクロアレイを形成した。DNAハイブリダイゼーションと鎖置換機構に基づく多色蛍光データストレージシステムが構築され、深度と柔軟性を兼ね備えた暗号化システムが実現した。

清華大学機械工学部の博士課程学生であるPei Ben氏が本論文の第一著者であり、清華大学機械工学部のXiong Zhuo教授が本論文の責任著者である。

データ技術の急速な発展に伴い、特に金融などの分野では、データセキュリティの確保が重要な課題となっています。この需要に応えるため、偽造防止技術、光学暗号化システム、分子データエンコード戦略に研究の焦点が置かれ、データのセキュリティと整合性を向上させる革新的なアプローチが提供されています。

これらの方法の中で、比色変化に基づく光学暗号化技術は特に魅力的です。外部刺激により特定の色に変化する暗号化素材の特性を暗号化に利用します。コスト効率が高く、応答時間が速いため、実用的なアプリケーションに最適です。さらに、効果的なデータセキュリティを確保するために、さまざまな暗号化方式が開発されています。ただし、これらの方法のほとんどは特定の外部刺激に依存しているため、暗号化の深さは限られています。高密度データ保存の可能性を秘めた材料として、DNA 分子は限られたスペースに大量のデータをエンコードすることができ、非常に特殊なハイブリダイゼーション、鎖置換、折り紙技術を通じて多様な操作を実現できるため、暗号化の選択肢が広がり、暗号化の深さが増します。

しかし、結合した DNA 鎖の置換に基づく効率的なマルチビット蛍光暗号化システムは依然として不足しています。これは、システムが狭いスペースで高いストレージ密度を達成し、多位置蛍光アレイパターン形成の複雑さを満たし、固相システムでDNAハイブリダイゼーションと鎖置換を結合するために必要な多成分反応を実現する必要があるためです。上記の矛盾を解決するために、本研究ではインクジェット印刷されたマイクロアレイに基づく新しい多色蛍光保存システムを提案しました。この低コストで高効率な方法では、一本鎖 DNA の自己組織化によって形成された単分子層を基質として使用し、インクジェット印刷を使用して蛍光標識された DNA 鎖を特定の場所に正確に堆積させ、基質 DNA とハイブリダイズしてデータ保存用の蛍光アレイを形成できるようにします。このシステムは、データチェーンと同じ蛍光特性を持つ特殊な干渉チェーンも導入します。これらの干渉チェーンは、データチェーンと結合し、復号チェーンを通じて DNA チェーン置換反応をトリガーすることで選択的に除去できるため、高強度の暗号化と復号化が実現します。このシステムは、蛍光 DNA 分子、インクジェット印刷、その他の要素を統合することにより、実用的かつ革新的なソリューションを提供し、DNA 分子と高度な暗号化技術の応用に新たな展望を開きます。

システム原理 このシステムは、DNA 固相ハイブリダイゼーションと鎖置換を通じてデータの保存と暗号化を実現します。データ保存の原理は、蛍光データ DNA 鎖がサポート DNA の赤、緑、青のハイブリダイゼーション配列にハイブリダイズして蛍光スポット (図 1a) を形成し、蛍光は「1」、蛍光がない場合は「0」を表すというものです。 3 つのハイブリダイズ配列はスペーサー配列によって互いに分離されています。同様に、データを暗号化するには、利用可能なサポート DNA 配列に干渉 DNA をランダムに追加して、元のデータを隠します。対応する解読された DNA 鎖は、干渉する DNA 鎖上のターゲットサイトにハイブリダイズし、鎖置換によってその除去を促進します。干渉する DNA が置換され除去されると、元のデータを復号化できるようになります。

この基本原理に基づいて、DNA 分子はさまざまな形式のデータ暗号化の暗号化材料として使用できます。図 1b の例に示すように、元のデータ「CORRECT」は、多色蛍光の組み合わせポイントとしてエンコードされ、暗号化されます。データをインクジェット印刷し、DNA に干渉することで、蛍光データドットが再配置され、マスクされたデータ「ABCDEFGH」をエンコードするパターンが形成されました。パターンを読み取ると、マスクされたデータのみが取得されます。間違った復号化された DNA が追加されると、蛍光組み合わせスポットを読み取ると、ゴミデータが生成されます。正しく復号化された DNA だけが、干渉する DNA を正確に除去し、実際のデータを復元できます。

図1: データ暗号化の仕組みとプロセス
実験結果 インクジェット印刷と DNA ハイブリダイゼーションによって生成された多色蛍光データストレージアレイ

この研究では、インクジェット印刷技術によって製造され、異なる蛍光染料で標識された DNA 鎖から構築された多色ドットマトリックスに基づくデータストレージシステムを提案します。図 2a は、複数の DNA 鎖のハイブリダイゼーションの精度を証明するために使用される、複数の DNA 印刷とハイブリダイゼーションテストの設計を示しています。図 2b に示すように、異なる波長のレーザーを照射することで、多色蛍光スポットを読み取ることができます。図 2c はインクジェット印刷のプロセスフローを示しています。図 2d は DNA マイクロ液滴印刷と液滴融合の効果を示しており、図 2e は融合した液滴の数が液滴半径の 3 乗に比例することを示しています。図 2f は多色印刷テストにおける蛍光効果を示しており、図 2g は図 1b で説明したサンプルの実際の効果を示しています。

図2 DNAハイブリダイゼーションデータストレージに基づくインクジェット印刷多色蛍光ドットアレイの原理とデモンストレーション
シーケンスベースの蛍光 DNA 鎖暗号化 図3aはDNA鎖の置換に基づく暗号化および復号化の原理の概略図である。図に示すように、特定の妨害チェーンは正しい復号チェーンとのチェーン置換反応によってのみ除去できますが、データチェーンは復号プロセス中に保持されます。図 3b は DNA 鎖置換解読の蛍光ドットマトリックス結果を示しています。図 3c は、実際のデータ鎖強度を基準値として、DNA 鎖置換復号化の相対蛍光強度の結果を示しています。この結果は、特定の復号化チェーンのみが対応する干渉チェーンを削除でき、データチェーンは影響を受けないことを示しています。
図3 DNA配列に基づくDNA鎖置換復号化
複合構造に基づく多色蛍光 DNA 鎖暗号化 図 4a、b は、システム内の 2 つの異なる暗号化構造 (並列暗号化と順次暗号化) を示しています。並列暗号化では、復号化チェーンを追加する順序は復号化の効果に影響しませんが、順次暗号化では、復号化チェーンは特定の順序で追加された場合にのみ成功します。図 4c、d はそれぞれ並列暗号化と順次暗号化の実装原理を示しています。追加された 2 つの蛍光干渉鎖が互いに独立している場合、それは並列暗号化です。干渉チェーンが互いに結合されている場合、それは順次暗号化と呼ばれます。注目すべきは、順次暗号化では、干渉チェーン C* には復号チェーンに結合するターゲットがないことです。これを除去するには、サポート DNA とハイブリダイズし、干渉鎖 C* の鎖置換を引き起こす特殊な解読 DNA が使用されます。干渉鎖 B* にはスペーサー配列に相補的な追加配列が含まれており、特定の復号 DNA がサポート DNA に結合するのを防ぎ、干渉鎖 C を保護します。

図 4e、f は並列および順次復号化実験の顕微鏡結果を示し、図 g、h は実験の相対的な蛍光強度の結果を示しています。この結果は、並列暗号化と順次暗号化の実現可能性をさらに裏付けています。

図4 多色DNA鎖置換暗号化と復号化
データ暗号化検証 本研究では、連鎖順列暗号システムの有効性を検証するために、並列暗号化と逐次暗号化を組み合わせた暗号化方式を提案した。図 5a に示すように、暗号化のために、空白のポイント、単一の赤いポイント、および単一の緑のポイントに干渉チェーンが追加されます。図 5b は暗号化に使用される DNA 構造を示しています。図 5c の蛍光顕微鏡では、復号化チェーンが順番に追加されるにつれて、干渉する蛍光スポットが除去され、データ蛍光スポットのみが残ることがわかります。図 d に示すように、復号化を行わないと、蛍光アレイは不明瞭なデータを生成します。図 e に示すように、正しい復号化チェーンを適用すると、蛍光信号が実際のデータにデコードされます。

図5 データの暗号化と復号化のデモンストレーション
要約と展望 この研究では、DNA ベースのデータ保存および暗号化システムを紹介します。このシステムは、インクジェット印刷によって形成されたマイクロアレイ上で固相DNAハイブリダイゼーションと鎖置換を実現し、DNA配列と組み合わせ構造によって制御される暗号化システムを設計します。 DNA 配列はデータ保存密度が非常に高く、安全なデータ保存のために高度な暗号化を実現します。複数の暗号化チェーン間の結合構造により、暗号化の複雑さと柔軟性がさらに高まり、暗号化の次元が広がります。このシステムは複雑な暗号化メカニズムを実装できますが、インクジェット印刷技術により、異なる DNA 鎖を特定のアレイに同時に迅速かつ経済的に堆積することが可能になります。復号化プロセスは単純な DNA 鎖置換によって実行されるため、データの取得が容易になります。

このシステムは、追加の DNA の組み合わせと設計を通じて、より多様で柔軟な暗号化機能を持つように簡単に拡張できます。この論文で提案されているインクジェット印刷マイクロアレイベースの固相反応システムと DNA データストレージおよびコンピューティング技術を組み合わせることで、ストレージと暗号化のさらなる可能性が開かれる可能性があります。

参考文献
Pei B、Ma J、Ouyang L、他「インクジェットプリントマイクロアレイにおけるDNAマルチストランド固相ハイブリダイゼーションと置換による高セキュリティデータ暗号化の実現[J]」ACS Applied Materials & Interfaces、2025、17(6): 10179-10190。

ウェブリンク: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c21723

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