POSERS：一种基于隐写技术的分子标记系统，利用随机DNA序列实现安全认证

《ACS Omega》：POSERS: A Steganography-Driven Molecular Tagging System Using Randomized DNA Sequences for Secure Authentication

DNA防伪技术中的随机序列设计及其安全验证。

　　在当今社会，假冒行为仍然是多个行业面临的重大威胁，不仅导致了巨大的经济损失，还可能引发健康风险。DNA分子标记作为一种新型的防伪策略，因其独特的优势而受到广泛关注。然而，传统的DNA标记方法通常依赖于预定义的DNA序列，这使得它们在DNA测序和合成技术不断进步的背景下变得越来越容易被复制。为了克服这些限制，我们提出了一种名为POSERS（Position-Oriented Scattering of Elements among a Randomized Sequence）的DNA标记系统，它通过将产品特定的约束条件编码到高度多样化的随机DNA库中，实现了一种更加安全的DNA标记方法。POSERS系统不仅可以适用于其他分子或材料载体，而且DNA作为一种分子标记材料，因其化学稳定性、低成本的合成能力和与多种材料的兼容性，成为特别吸引人的选择。

POSERS系统与以往的方法相比，具有显著的优势。传统的DNA标记方法使用固定标签，而POSERS则允许根据应用需求定制设计复杂度，并且在未来的DNA测序和合成技术发展下仍能保持较强的抗复制能力。POSERS设计的核心在于，每批产品都会获得一个独特的DNA库，这个库是在一次合成步骤中生成的，使得整个系统的部署更加经济高效。这种设计方法不仅提升了防伪的可靠性，还确保了系统的可扩展性，使得它能够适应高风险产品的广泛需求。

POSERS的原理可以概括为以下几个方面。首先，POSERS系统通过选择特定的限制位置来实现DNA序列的多样性。在这些位置上，DNA的碱基选择受到一定限制，而其余位置则随机填充。这种设计方法使得在随机库中找到某些组合变得困难，从而提高了伪造的难度。其次，POSERS系统在合成过程中引入了多个单个位置寡核苷酸库（SPOLs），这些库通过特定的碱基限制和随机填充的结合，确保了DNA序列的多样性。最后，POSERS系统通过将所有SPOLs混合在一起，形成了一个综合位置寡核苷酸库（CPOL），这种库构成了整个POSERS系统的核心。

POSERS系统在实验验证中表现出良好的性能。我们使用了长度为40个核苷酸的单链DNA序列，并选择了10个限制位置和10个允许两个核苷酸的位置，从而形成了20个SPOLs。这些SPOLs被均匀混合，形成了CPOL。这种设计使得在CPOL中，每个限制位置的碱基分布受到统计学上的掩盖，从而增加了伪造的难度。然而，缺失的碱基组合仍然可以被检测到，从而实现对DNA库的验证。

POSERS系统在检测假冒产品时也表现出色。通过从产品中提取DNA并进行下一代测序（NGS），可以验证DNA库是否符合POSERS设计的参数。任何不符合设计标准的DNA样本都会被立即识别为无效并被拒绝。然而，如果样本表现出POSERS设计的一般特征，我们需要进一步分析CPOL中的序列来确认其真实性。通过样本组合测试，可以判断DNA样本是否属于SPOL或是否包含任何被限制的组合。如果DNA样本不符合这些条件，则被视为非真实样本。样本组合测试依赖于在非真实标签中发现被限制的组合。

为了确保样本组合测试的有效性，我们需要计算在非POSERSDNA库中发现被限制组合的概率。使用随机库作为非真实标签的代表，因为这可能是伪造DNA标签的最可能情况。由于POSERS设计排除了某些被限制的碱基组合，因此生成的DNA库比完全随机的库要小。因此，如果伪造者使用完全随机的库而不是POSERS库，他们可能会包含一些非真实序列。通过计算非真实序列的比例，可以确定需要分析的序列数量，以确保检测到伪造的可能性。我们计算出的理论比例为5.4994×10^-5，因此我们需要分析2.5121×10^5个序列以确保检测到非真实序列。

POSERS系统在检测假冒时还考虑了DNA合成和测序过程中可能引入的误差和偏差。这些误差可能影响DNA样本的准确性，因此需要在实验步骤中进行考虑。我们使用了IDT公司的寡核苷酸池合成服务来合成CPOL，并使用了特定的转座酶进行测序准备。为了确保DNA样本的完整性，我们在DNA序列的两端添加了80个固定构成序列。此外，我们还使用了纯化试剂盒对DNA样本进行纯化，以确保其质量和纯度。

在实验过程中，我们准备了七种不同浓度的DNA样本，从0.01 ng到25 ng不等，并将它们用于一次测序运行。这些样本经过多重化处理，并使用了不同的实验方法进行测序。通过这些实验，我们发现使用5 ng的CPOL样本可以产生足够的测序结果，以覆盖2.5121×10^5个读数的需求。这些结果表明，即使在低浓度的情况下，POSERS系统仍然能够提供可靠的验证。

POSERS系统在检测假冒时还考虑了样本的多样性。通过样本多样性测试，可以判断样本是否符合预期的设计多样性，并包含所有允许的碱基。通过隔离DNA样本中的特定序列，可以分析所有允许的碱基是否在受限位置上存在。这可以通过选择所有其他位置包含受限碱基的序列来实现。这种测试方法可以检测到伪造样本中的缺失碱基，从而实现对DNA标签的验证。

POSERS系统还考虑了如何防止伪造者通过复制或分析设计来生成伪造的DNA库。如果伪造者试图复制DNA库，他们将面临巨大的技术挑战，因为复制每个DNA序列将需要重新合成数百万个独特的序列。这种复制过程不仅技术上不可行，而且经济上也不划算。此外，POSERS系统通过其设计，使得伪造者无法直接复制DNA库，因为每个DNA序列的两端都缺少PCR扩增所需的引物结合位点。这种设计使得伪造者无法通过PCR扩增来复制DNA库，从而提高了系统的安全性。

POSERS系统还考虑了如何防止伪造者通过分析DNA序列的碱基分布来找到设计。通过分析DNA序列的碱基分布，可以识别出异常的限制，如某些碱基组合的缺失。这种分析方法使得伪造者无法轻易找到设计，因为设计的复杂性使得他们需要分析更多的序列才能识别出限制。因此，POSERS系统通过其设计的复杂性和多样性，提高了伪造的难度。

POSERS系统在实际应用中表现出良好的适应性。通过将DNA标签应用于纸张等材料，可以验证其在实际材料系统中的适用性。然而，POSERS标签的应用并不仅限于纸张，它可以应用于各种材料，如药品、食品、油墨和聚合物等。这些应用表明，DNA作为一种分子载体具有广泛的适用性，POSERS标签可以在多个行业中用于供应链安全、可追溯性和防伪应用。

在实验方法中，我们使用了多种技术来生成和验证DNA库。首先，我们设计了一个测试库，其长度为40个核苷酸，包含20个限制位置和20个非限制位置。通过使用IDT公司的寡核苷酸池合成服务，我们生成了20个SPOLs，并将它们混合在一起，形成了CPOL。然后，我们使用了不同的实验方法来纯化DNA样本，并准备了不同的DNA浓度。通过这些实验，我们验证了POSERS系统在不同条件下的性能，并确认了其在实际应用中的可行性。

POSERS系统在检测假冒时还考虑了样本的多样性。通过样本多样性测试，可以判断样本是否符合预期的设计多样性，并包含所有允许的碱基。通过隔离DNA样本中的特定序列，可以分析所有允许的碱基是否在受限位置上存在。这可以通过选择所有其他位置包含受限碱基的序列来实现。这种测试方法可以检测到伪造样本中的缺失碱基，从而实现对DNA标签的验证。

POSERS系统还考虑了如何防止伪造者通过复制或分析设计来生成伪造的DNA库。如果伪造者试图复制DNA库，他们将面临巨大的技术挑战，因为复制每个DNA序列将需要重新合成数百万个独特的序列。这种复制过程不仅技术上不可行，而且经济上也不划算。此外，POSERS系统通过其设计，使得伪造者无法直接复制DNA库，因为每个DNA序列的两端都缺少PCR扩增所需的引物结合位点。这种设计使得伪造者无法通过PCR扩增来复制DNA库，从而提高了系统的安全性。

POSERS系统在实际应用中表现出良好的适应性。通过将DNA标签应用于纸张等材料，可以验证其在实际材料系统中的适用性。然而，POSERS标签的应用并不仅限于纸张，它可以应用于各种材料，如药品、食品、油墨和聚合物等。这些应用表明，DNA作为一种分子载体具有广泛的适用性，POSERS标签可以在多个行业中用于供应链安全、可追溯性和防伪应用。

POSERS系统的设计方法使得它能够适应不同的应用需求。通过调整设计参数，如限制位置的数量和允许的碱基类型，可以实现对DNA标签的定制化设计。这种灵活性使得POSERS系统能够满足不同产品的具体需求，如产品寿命、批次大小和预期的攻击复杂性。通过这种方式，POSERS系统不仅提高了防伪的安全性，还确保了其在不同应用场景下的可行性。

POSERS系统在实验验证中表现出良好的性能。通过使用不同的实验方法，如PCR扩增和NGS测序，我们验证了DNA标签在不同条件下的效果。这些实验方法不仅提高了DNA标签的验证能力，还确保了其在不同应用场景下的适用性。通过这些实验，我们发现使用5 ng的CPOL样本可以产生足够的测序结果，以覆盖2.5121×10^5个读数的需求。这些结果表明，即使在低浓度的情况下，POSERS系统仍然能够提供可靠的验证。

POSERS系统在实际应用中还考虑了如何提高DNA标签的检测能力。通过调整设计参数，如限制位置的数量和允许的碱基类型，可以实现对DNA标签的定制化设计。这种灵活性使得POSERS系统能够满足不同产品的具体需求，如产品寿命、批次大小和预期的攻击复杂性。通过这种方式，POSERS系统不仅提高了防伪的安全性，还确保了其在不同应用场景下的可行性。

POSERS系统的设计方法使得它能够适应不同的应用需求。通过调整设计参数，如限制位置的数量和允许的碱基类型，可以实现对DNA标签的定制化设计。这种灵活性使得POSERS系统能够满足不同产品的具体需求，如产品寿命、批次大小和预期的攻击复杂性。通过这种方式，POSERS系统不仅提高了防伪的安全性，还确保了其在不同应用场景下的可行性。

POSERS系统在实验验证中表现出良好的性能。通过使用不同的实验方法，如PCR扩增和NGS测序，我们验证了DNA标签在不同条件下的效果。这些实验方法不仅提高了DNA标签的验证能力，还确保了其在不同应用场景下的适用性。通过这些实验，我们发现使用5 ng的CPOL样本可以产生足够的测序结果，以覆盖2.5121×10^5个读数的需求。这些结果表明，即使在低浓度的情况下，POSERS系统仍然能够提供可靠的验证。

POSERS系统的设计方法使得它能够适应不同的应用需求。通过调整设计参数，如限制位置的数量和允许的碱基类型，可以实现对DNA标签的定制化设计。这种灵活性使得POSERS系统能够满足不同产品的具体需求，如产品寿命、批次大小和预期的攻击复杂性。通过这种方式，POSERS系统不仅提高了防伪的安全性，还确保了其在不同应用场景下的可行性。