基于基因组动力学的活体DNA数据安全存储新范式：集成计算-生物编程（ICBP）的加密策略与应用验证

《Advanced Science》：Highly Secure In Vivo DNA Data Storage Driven by Genomic Dynamics

本研究提出集成计算-生物编程（ICBP）新范式，通过利用基因调控网络和全基因组构建动态密码表，结合混沌映射（Rossler系统、Logistic映射、Sine映射、PWLCM映射）和异或（XOR）运算，实现了活体微生物（如大肠杆菌E. coli）内DNA数据的高安全性加密存储。该方案密钥空间较现有方法提升超100个数量级，可抵抗暴力破解和统计攻击，并在100代传代后仍保持100%数据恢复率，为下一代生物存储安全提供了创新解决方案。

　　

1 引言

全球数据量预计到2028年将达到300 ZB，传统存储技术面临耐久性、密度和能耗等挑战。DNA因其超高存储密度（较电子芯片高10⁶–10⁷倍）、长期稳定性和低能耗成为下一代存储介质。活体DNA存储进一步具备自我复制、紧凑性和隐蔽性优势，但早期方法多采用固定编码方案，存在安全风险。现有DNA加密策略（如镜像DNA、人工碱基）多针对体外环境，密钥空间有限且缺乏生物适应性。本研究提出ICBP框架，通过计算逻辑与微生物系统的融合，解决活体存储中的数据泄露隐患。

2 结果

2.1 ICBP加密算法设计

ICBP核心是通过基因调控网络（如KEGG数据库路径）或全基因组生成动态密码表，结合混沌系统实现多层加密：

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  初级扰乱：读取BMP图像像素矩阵，通过Rossler超混沌系统进行三维像素扰乱；
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  生物编码：将扁平化像素向量通过动态密码表映射为DNA序列（S_a、S_b）；
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  次级扰乱：分别采用Logistic映射和Sine映射对DNA序列进行二次扰乱；
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  扩散操作：通过PWLCM映射选择异或（XOR）规则进行序列扩散，最终重构为加密图像。
  密码表存储方式包括合成DNA（侧翼标记序列）、基因网络（基于基因互作关系定位）或基因组坐标记录，解密时需反向操作并重建密码表。

2.2 实验验证

以"我的世界"（Minecraft）图像为案例，加密后通过"悟空"（Wukong）编解码系统转换为31条DNA链，插入质粒并转化至大肠杆菌。经100代传代后，质粒提取、PCR扩增和桑格测序验证数据100%准确恢复（图2b–h）。电泳和菌落形成分析显示宿主细胞生长未受影响，证明ICBP兼容微生物活体存储的稳定性。

2.3 加密性能评估

对6类图像（如"胸部"、"肺部"医学图像）的加密效果显示：

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  像素分布：加密后R、G、B通道像素分布更均匀（图3a）；
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  相关性系数：原始图像水平/垂直/对角线方向系数接近1，加密后趋近0（图3b）；
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  信息熵：加密图像信息熵（H）接近最大值8，灰度值差异（GVD）趋近理想值1（表1）；
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  抗攻击性：在裁剪（60%）、高斯噪声（方差0.6）、椒盐噪声（密度0.6）攻击下，峰值信噪比（PSNR）仍高于5–6.5倍（图4a–c）。
  ICBP密钥空间达184¹⁸⁴×4.8×10¹⁷×4.3×10¹¹×4.4×10¹¹×10¹²，较传统方法提升超100个数量级（附表S15）。

2.4 生物编码与异或运算的贡献

对比ICBP完整算法与纯计算版本（去除DNA编码步骤），完整方案在像素改变率（NPCR）、统一平均变化强度（UACI）、梯度方差偏差（GVD）和加密质量（EQ）上均显著提升（图5a–d），证实生物动态密码表与异或运算的协同加密优势。

3 讨论

ICBP突破传统静态加密局限，通过微生物基因组动态性实现"计算-生物-计算"三明治式加密，支持多物种并行编程。与近期活体存储方案（表2）相比，ICBP在加密潜力、动态密码表和密钥空间上具显著优势。未来可结合自毁电路（如CRISPR-Cas系统）应对生物安全风险，通过冗余存储和定期测序保障数据长期完整性。

4 实验方法

密钥空间计算涵盖动态密码表组合数（184¹⁸⁴）和混沌系统参数（Rossler、Logistic、Sine、PWLCM）。质粒构建采用BamHI酶切验证，细胞传代在LB培养基中每代稀释至OD₆₀₀=0.05，37°C培养至OD₆₀₀≈0.8后重复，PCR引物为M13F-77/M13R-88。