用DNA折纸技术打造的纳米密码系统

密码系统是信息时代的关键组成部分。根据克尔克霍夫原则，密码系统的安全性应仅依赖密钥的保密性，而非加密算法或设备。传统硅基方法在计算和存储方面面临挑战，量子密钥分发则受密钥速率、距离、成本及专用仪器等限制。生命体通过限制分子相互作用和生物计算处理信息，为新型信息安全策略提供了思路。

DNA作为天然的信息编码材料，凭借沃森-克里克碱基配对特性，可折叠形成具有复杂几何结构和功能的纳米结构。DNA折纸技术通过长支架链与数百条短 staple 链折叠形成纳米寻址结构，具有巨大的折叠可能性。此前的DNA折纸密码学(DOC)利用7249核苷酸长的支架实现了702位密钥，但DNA折纸最显著的纳米寻址特性尚未充分利用，该特性已广泛用于定位染料、适配体、蛋白质等功能分子及引导能量转移。

本研究基于纳米限制效应，提出DNA折纸框架密码系统(DOFC)，利用DNA折纸的纳米寻址能力限制荧光相互作用、调控荧光排列，结合折叠可能性、荧光排列及限制控制的逻辑验证，大幅升级了DOC。DOFC采用纳米折纸模板上的可寻址荧光团阵列和FRET，通过荧光团的像素化相互作用，将密钥长度提升至1742位，读出方式从DOC的原子力显微镜(AFM)转为荧光光谱，实现信息快速读取。

DOFC的核心原理是利用DNA折纸的纳米寻址能力限制荧光相互作用和调控荧光排列。其密码学原理可通过像素化点阵阐释：支架链与 staple 链折叠形成DNA折纸纳米结构（抽象为像素阵列），每个像素作为荧光团锚定位点，不同荧光团排列产生大量荧光排列，将信息隐藏于空间顺序中。FRET仅发生在同一像素内的荧光团间，相邻像素无相互作用，确保信号特异性。

DOFC通过三层安全机制保障信息安全：第一层为DNA折纸折叠加密（密钥1），基于支架折叠的大量潜在路径（7249nt支架约2^702种可能，对应702位密钥）；第二层为荧光团排列排列（密钥2），利用54个位点的荧光团排列产生约10^40种可能，对应1040位密钥，实际20个位点可达330位；第三层为FRET信号逻辑验证（密钥3），通过直接和间接通道的荧光发射光谱双信道编码提取，建立输入与输出的逻辑关系，增强安全性。

读出与验证过程包括形态确认和荧光表征：接收方用特定折叠 staple 链组装DNA折纸，通过AFM确认矩形结构（错误则为三角形）；随后通过荧光团结合将定位信息转为荧光信号，仅正确荧光排列产生预期信号。实验优化了FRET效率（如3'-5'端 staple 延伸比3'-3'端效率高15%）、staple 设计（信息 staple 过量50倍以竞争结合支架）、纯化方法（PEG沉淀2次平衡背景与回收率）等。

信息加密与逻辑验证保护方面，构建5位点模型系统演示秘密消息传输。定义5位码本映射字符，通过信息 staple 与荧光链杂交产生荧光模式。解码时将荧光团分组减少光谱重叠，如“DOFCSYS”的解码；校验码需全通道分析，通过归一化和FRET放大确保信号无干扰。

伪装信息传输中，DOFC保护的数据作为密钥通过异或(XOR)加密算法加密额外消息。例如，将密钥“DOFCSYS”与密文“7715010222”异或得到明文“CHICAGO”。DNA链形式的密钥可固定在纸上隐藏，接收方溶解后恢复，结合荧光读出确保安全。

DOFC通过可编程DNA折纸结构与依赖 proximity 的荧光模式，实现1742位密钥，融合折叠路径、荧光排列及FRET逻辑门计算能力，提供三层安全保障。相比其他DNA加密方法，DOFC充分利用DNA折纸的纳米寻址特性，在纳米尺度限制和引导信息交换与逻辑操作，提升消息保护。未来可通过增加位点利用率、采用先进编码方案等进一步提升，在安全通信、生物数据保护、DNA数据存储等领域有广阔应用前景。