Binary encryption comprehensive experiment based on agarose gel electrophoresis

doi:10.3724/SP.J.1123.2025.10029

Abstract

Abstract:

This experiment is based on a 4-bit deoxyribonucleic acid （DNA） nanoswitch， in which specific DNA single strands trigger a “linear-to-circular” conformational transition. By leveraging the migration differences between the two conformations in gel electrophoresis， digital binary encoding is achieved. Different combinations of conformational switches can represent distinct information. Inspired by the “protection-deprotection” strategy in organic chemistry， an ribonucleic acid （RNA） protection strand is introduced to prevent the formation of the circular structure， thereby establishing an information encryption system. The system utilizes ribonuclease A （RNase A） for specific enzymatic cleavage to remove the protection， restoring information readout and establishing an RNA-regulated encryption system. By integrating DNA nanotechnology， binary encoding， and chemical protection strategies， agarose gel electrophoresis is applied throughout the entire experimental process， enabling full visualization from molecular construction to information read-write. This approach not only helps students master gel electrophoresis techniques and deepen their understanding of electrophoretic separation mechanisms and structure-activity relationships at the molecular level， but also exposes them to cutting‑edge fields such as molecular information encoding and DNA nanotechnology， effectively stimulating innovative thinking and interdisciplinary problem-solving skills.

Key words: deoxyribonucleic acid nanoswitch （DNA nanoswitch）, agarose gel electrophoresis, ribonucleic acid-regulated protection, ribonuclease A, information encryption and decryption

CLC Number:

O658

DUAN Jinwei, MA Lei, ZHAO Qian, WU Qianqian, XIN Boyu, YANG Jiahua, LI Yao, WANG Qizhao. Binary encryption comprehensive experiment based on agarose gel electrophoresis[J]. Chinese Journal of Chromatography, 2026, 44(4): 486-495.

Figures/Tables 8

Fig. 1 Schematic diagram of binary encryption based on an ribonucleic acid （RNA）-protected deoxyribonucleic acid （DNA） nanoswitch RNase： ribonuclease A.

Fig. 2 Schematic diagrams of digital encryption and decryptiona. schematic diagram of the binary encoding of digits 0-9； b. encryption of the password 349682 with an RNA protection strand； c. addition of ribonuclease A for decrypting and reading the digital password 349682.

Table 1 Experimental scheme for verifying the mechanism of RNA regulation

Step	Added	PCR tubes
Step	Added	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Step 1	diluted nanoswitch/μL	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10	40	40
	R₀/μL		1	1	1	1	1	1	1	1	1	4	4
	10×PBS/μL	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	8	8
	MgCl₂/μL	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	8	8
	ultrapure water/μL	6	5	5	5	5	5	5	5	5	5	20	20
	Total/μL	20	20	20	20	20	20	20	20	20	20	80	80
Step 2	T₁/μL			1	1							1	1
	T₂/μL					1	1					1	1
	T₃/μL							1	1			1	1
	T₄/μL									1	1	1	1
Step 3	RNase A/μL				1		1		1		1		4
Step 4	incubate at 25 ℃ for 30 min to enable complete hybridization of T _x and D₀

Table 2 Experiment of non-specific enzyme attack test

Step	Added	PCR tubes
Step	Added	1	2	3	4	5
Step 1	diluted nanoswitch/µL	10	10	10	10	10
	R₀/µL	1	1	1	1	1
	10× PBS/µL	2	2	2	2	2
	MgCl₂/µL	2	2	2	2	2
	ultrapure water/µL	5	5	5	5	5
Step 2	T₁/µL	1	1	1	1	1
Step 3	RNase A/µL		1
	RNase H/µL			1
	DNase I/µL				1
	Proteinase K/µL					1
Step 4	incubate at 25 ℃ for 30 min to enable complete hybridization of T _x and D₀

Fig. 3 Preparation and verification of DNA nanoswitchesa. Lane 1： circular M13mp18 DNA； Lane 2： linear M13mp18 DNA； Lanes 3-7： linear nanoswitches in tubes of A， B， C， D， and E in sequence. b. Lanes 1-4： nanoswitches Loop 1， Loop 2， Loop 3， and Loop 4 in sequence； Lane 5： a mixed sample of Loop 1-4.

Fig. 4 Verification of the RNA regulation mechanismLane 1： linear DNA nanoswitch （control）； Lane 2： D0 was protected by R0； Lanes 3， 5， 7， 9， 11： R0?protected D0 prevented the formation of Loops 1-4； Lanes 4， 6， 8， 10， 12： after RNase A?mediated deprotection of D0， the corresponding loops were formed.

Fig. 5 Gel results diagram of non-specific enzyme attack tests RNase H： ribonuclease H； DNase I： deoxyribonuclease I； Pro K： proteinase K.

Fig. 6 Schematic diagrams illustrating the information encryption and decryption results for students A， B， and CLeft： preset information map； Middle： R0-protected encrypted information gel image； right： RNase A-deprotected decrypted information gel image.

References

[1]	Zhong J X， Chen M C， Lin J H， et al. Chinese Journal of Chemical Education， 2025， 46（6）： 42
[1]	钟均星，陈敏嫦，林景鸿，等. 化学教育（中英文）， 2025， 46（6）： 42
[2]	Duan J W， Wang Q Z， Li J J， et al. Chinese Journal of Chemical Education， 2023， 44（16）： 94
[2]	段金伟，王其召，李佳佳，等. 化学教育（中英文）， 2023， 44（16）： 94
[3]	Guo J C， Yang Y， Ma M Y， et al. Chinese Journal of Chemical Education， 2024， 45（12）： 44
[3]	郭佳聪，杨洋，马明远，等. 化学教育（中英文）， 2024， 45（12）： 44
[4]	Li C M， Yin D Z， Geng W C， et al. Chinese Journal of Chemical Education， 2021， 42（12）： 63
[4]	李春梅，尹德忠，耿旺昌，等. 化学教育（中英文）， 2021， 42（12）： 63
[5]	Chen S Y， Huo K N， Qi K， et al. University Chemistry， 2024， 39（5）： 274
[5]	陈珊莹，霍康宁，綦可，等. 大学化学， 2024， 39（5）： 274
[6]	Duan J W， Wang K， Cui L， et al. Chinese Journal of Chemical Education， 2025， 46（10）： 91
[6]	段金伟，王康，崔林，等. 化学教育（中英文）， 2025， 46（10）： 91
[7]	Liu T， Tian Y L， Cao Y R， et al. Food Res International， 2023， 166： 112600
[8]	Tian Y L， Cao Y R， Zha G H， et al. Anal Chem， 2023， 95： 13941
[9]	Zhu B J， Zhao J， Li S P. J Adv Res， 2026， 79： 151
[10]	Tardif C， Jaccoulet E， Bellec J F， et al. Talanta， 2023， 260： 124633
[11]	Shao S X， Yang X Y， Shen H Y， et al. Chinese Journal of Chemical Education， 2023， 44（8）： 66
[11]	邵松雪，杨兴宇，沈海云，等. 化学教育（中英文）， 2023， 44（8）： 66
[12]	Chandrasekaran A R. J Chem Educ， 2023， 100（1）： 316
[13]	Seeman N， Sleiman H. Nat Rev Mater， 2018， 3： 17068
[14]	Ma W， Zhan Y， Zhang Y. et al. Signal Transduct Target Ther， 2021， 6（1）： 351
[15]	Simmel F. Natural Computing Series. Singapore： Springer， 2023
[16]	Koussa M， Halvorsen K， Ward A， et al. Nat Methods， 2015， 12： 123
[17]	Duan J W， Zhao J T， Wang L Y， et al. Chinese Journal of Chemical Education， 2025， 46（16）： 39
[17]	段金伟，赵家婷，王璐瑶，等. 化学教育（中英文）， 2025， 46（16）： 39
[18]	Sun S J， Zhao J T， Yuan Y L， et al. Chinese Journal of Chemical Education， 2024， 45（2）： 59
[18]	孙四娟，赵家婷，袁云兰，等. 化学教育（中英文）， 2024， 45（2）： 59
[19]	Luo L， Xing Y K， Liu J X， et al. Chinese Journal of Chemical Education， 2025， 46（10）： 55
[19]	罗岚，邢宇琨，刘吉祥，等. 化学教育（中英文）， 2025， 46（10）： 55
[20]	Halvorsen K， Schaak D， Wong W. Nanotechnology， 2011， 22（49）： 494005
[21]	Punnoose J， Halvorsen K， Chandrasekaran A. J Chem Educ， 2020， 97（5）：1448
[22]	Talbot H， Halvorsen K， Chandrasekaran A. ACS Synth Biol， 2023， 12（4）： 978
[23]	Fu X C， Hou W H. Physical Chemistry （Lower Volume）. 6th ed. Beijing： Higher Education Press， 2022
[23]	傅献彩，侯文华. 物理化学（下册）. 6版. 北京：高等教育出版社，2022.
[24]	Robert F W. Molecular Biology. 5th ed. Zheng Y L， Ma J， Li Y H，et al . transl. Beijing： Science Press， 2013
[24]	Robert F W. Molecular biology. 5th ed. 郑用琏，马纪，李玉花，等译. 北京：科学出版社， 2013
[25]	Wang J Y， Zhu S G， Xu C F. Essential Biochemistry. Beijing： Higher Education Press， 2008
[25]	王镜岩，朱圣庚，徐长法. 生物化学教程. 北京：高等教育出版社， 2008
[26]	Jiang S， Zong H， Sun Y M， et al. ACS Appl Mater Interfaces， 2025， 17（47）： 64956
[27]	Zhang A X， Wang L J， Zhai X W， et al. Adv Sci， 2025， 12： 2503790
[28]	Luo B X， Gao S Y， Wu M H， et al. Commun Mater， 2025， 6： 183
[29]	Wang S P， Mao X H， Wang F， et al. Adv Mater， 2024， 36： 2307499
[30]	Liu B Y， Wang F， Fan C H， et al. Adv Mater， 2025， 37： 2412926