DNA er blevet digitalt - hvad kan gå galt?

Biologien bliver mere og mere digitaliseret. Forskere som os bruger computere til at analysere DNA, betjene laboratorieudstyr og gemme genetisk information. Men nye kapaciteter betyder også nye risici – og biologer er fortsat stort set uvidende om de potentielle sårbarheder, der følger med digitalisering af bioteknologi.

Det nye område for cyberbiosikkerhed udforsker den helt nye kategori af risici, der følger med den øgede brug af computere i biovidenskaberne.

Universitetsforskere, industriens interessenter og regeringsagenter er begyndt at samles for at diskutere disse trusler. Vi har endda været vært for FBI-agenter fra direktoratet for masseødelæggelsesvåben her på Colorado State University og tidligere på Virginia Tech til lynkurser om syntetisk biologi og de tilhørende cyberbiosikkerhedsrisici. For et år siden, vi deltog i et projekt finansieret af det amerikanske forsvarsministerium for at vurdere sikkerheden af ​​bioteknologiske infrastrukturer. Resultaterne er klassificeret, men vi afslører nogle af de erfaringer, vi har lært i vores nye Trends in Biotechnology-papir.

Sammen med medforfattere fra Virginia Tech og University of Nebraska-Lincoln, vi diskuterer to hovedtyper af trusler:sabotering af de maskiner, som biologer stoler på og skaber farlige biologiske materialer.

Computervirus, der påvirker den fysiske verden

I 2010 et atomkraftværk i Iran oplevede mystiske udstyrsfejl. Måneder senere, et sikkerhedsfirma blev tilkaldt for at fejlfinde et tilsyneladende ikke-relateret problem. De fandt en ondsindet computervirus. Virussen, kaldet Stuxnet, fortalte udstyret om at vibrere. Fejlen lukkede en tredjedel af anlæggets udstyr ned, hæmme udviklingen af ​​det iranske atomprogram.

I modsætning til de fleste vira, Stuxnet målrettede ikke kun computere. Den angreb udstyr styret af computere.

Ægteskabet mellem datalogi og biologi har åbnet døren for fantastiske opdagelser. Ved hjælp af computere, vi afkoder det menneskelige genom, skabe organismer med nye evner, automatisere lægemiddeludvikling og revolutionere fødevaresikkerhed.

Stuxnet påviste, at cybersikkerhedsbrud kan forårsage fysiske skader. Hvad hvis disse skader havde biologiske konsekvenser? Kunne bioterrorister målrette mod offentlige laboratorier, der studerer infektionssygdomme? Hvad med medicinalvirksomheder, der producerer livreddende lægemidler? Efterhånden som livsforskere bliver mere afhængige af digitale arbejdsgange, chancerne stiger sandsynligvis.

roder med DNA

Den lette adgang til genetisk information online har demokratiseret videnskab, gør det muligt for amatørforskere i samfundslaboratorier at tackle udfordringer som at udvikle insulin til en overkommelig pris.

Men grænsen mellem fysiske DNA-sekvenser og deres digitale repræsentation bliver mere og mere slørede. Digital information, herunder malware, kan nu opbevares og overføres via DNA. J. Craig Venter Institute skabte endda et helt syntetisk genom vandmærke med kodede links og skjulte beskeder.

For tyve år siden, geningeniører kunne kun skabe nye DNA-molekyler ved at sy naturlige DNA-molekyler sammen. I dag kan forskere bruge kemiske processer til at producere syntetisk DNA.

Sekvensen af ​​disse molekyler genereres ofte ved hjælp af software. På samme måde som elektriske ingeniører bruger software til at designe computerchips, og computeringeniører bruger software til at skrive computerprogrammer, geningeniører bruger software til at designe gener.

Det betyder, at adgang til specifikke fysiske prøver ikke længere er nødvendig for at skabe nye biologiske prøver. At sige, at alt hvad du behøver for at skabe et farligt menneskeligt patogen er internetadgang ville være en overdrivelse - men kun en lille. For eksempel, i 2006, en journalist brugte offentligt tilgængelige data til at bestille et fragment af koppe-DNA med posten. Året før, Centers for Disease Control brugte offentliggjorte DNA-sekvenser som en plan til at rekonstruere den virus, der er ansvarlig for den spanske syge, en af ​​de dødeligste pandemier nogensinde.

Ved hjælp af computere, at redigere og skrive DNA-sekvenser er næsten lige så let som at manipulere tekstdokumenter. Og det kan gøres med ondsindet hensigt.

Først:Anerkend truslen

Samtalerne omkring cyberbiosikkerhed har hidtil stort set fokuseret på dommedagsscenarier. Truslerne er tovejs.

På den ene side, computervirus som Stuxnet kunne bruges til at hacke sig ind i digitalt kontrolleret maskineri i biologiske laboratorier. DNA kan endda bruges til at levere angrebet ved at kode malware, der er låst op, når DNA -sekvenserne oversættes til digitale filer af en sekventeringscomputer.

På den anden side, dårlige aktører kunne bruge software og digitale databaser til at designe eller rekonstruere patogener. Hvis ondsindede agenter hackede sig ind i sekvensdatabaser eller digitalt designede nye DNA-molekyler med den hensigt at forårsage skade, resultaterne kan blive katastrofale.

Og ikke alle cyberbiosikkerhedstrusler er overlagte eller kriminelle. Utilsigtede fejl, der opstår under oversættelse mellem et fysisk DNA-molekyle og dets digitale reference, er almindelige. Disse fejl kompromitterer muligvis ikke den nationale sikkerhed, men de kan forårsage dyre forsinkelser eller produkttilbagekaldelser.

På trods af disse risici, det er ikke usædvanligt, at forskere bestiller prøver fra en samarbejdspartner eller en virksomhed og aldrig gider bekræfte, at den fysiske prøve, de modtager, matcher den digitale sekvens, de havde forventet.

Infrastrukturændringer og nye teknologier kan bidrage til at øge sikkerheden i life science-arbejdsgange. For eksempel, Frivillige screeningsretningslinjer er allerede på plads for at hjælpe DNA-syntesevirksomheder med at screene ordrer for kendte patogener. Universiteter kunne indføre lignende obligatoriske retningslinjer for enhver udgående DNA -synteseordre.

Der er heller ikke i øjeblikket nogen enkel, overkommelig måde at bekræfte DNA-prøver ved helgenomsekventering. Forenklede protokoller og brugervenlig software kunne udvikles, så screening ved sekventering bliver rutine.

Evnen til at manipulere DNA var engang et privilegium for de få udvalgte og meget begrænset i omfang og anvendelse. I dag, Livsforskere stoler på en global forsyningskæde og et netværk af computere, der manipulerer DNA på hidtil usete måder. Tiden til at begynde at tænke på sikkerheden ved den digitale/DNA -grænseflade er nu, ikke efter et nyt Stuxnet-lignende cyberbiosikkerhedsbrud.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.