未来的合成生物学“黑客”:他们用声音窃取DNA合成信息

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未来的合成生物学“黑客”:他们用声音窃取DNA合成信息
麻省理工科技评论 2019-03-15

2019-03-15

最近,加州大学的工程师们表示,他们已经证明,窥探生物技术公司如何制造合成 DNA 是可行的,只需要一段录音就能实现。
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最近,加州大学的工程师们表示,他们已经证明,窥探生物技术公司如何制造合成 DNA 是可行的,只需要一段录音就能实现。

最近,加州大学的工程师们表示,他们已经证明,窥探生物技术公司如何制造合成 DNA 是可行的,只需要一段录音就能实现:只要把一部智能手机放在 DNA 合成器附近,录下声音,然后通过训练有素的算法来识别 DNA 合成器发出的滴答声和嗡嗡声,这样就能确切地知道合成器中正在生成的 DNA“模块”的相关组合序列。

上周,研究人员在圣地亚哥举行的 2019 年网络和分布式系统安全研讨会上展示了他们的研究结果。研究人员在一种广泛使用的老式 DNA 合成器 3400 上演示了上述技术。

研究人员进行这项研究的目的是说服工程师,在设计生物仪器时需要考虑到这些安全漏洞。研究人员表示,网络入侵并不是窃取专用数据的唯一途径。

加州大学欧文分校的电气和计算机工程教授 Mohammad Al Faruque 的团队开发了相关算法,他说:“这台机器发出的声音是问题所在。”他还表示,机器传出的所有信息都可以进行分析。机器可以发射电磁场、散热或者振动,所有这些都可能为不法分子或生物恐怖分子提供挖掘敏感信息的线索。Al Faruque 说,制造机器的相关人员需要“考虑到所有这些漏洞,然后设计机器”。

(来源:Steven Zylius/加州大学欧文分校)

在 DNA 合成工具中,声学揭示了所有秘密。合成不同的 DNA“模块”(核苷酸腺嘌呤 A、鸟嘌呤 G、胞嘧啶 C 或胸腺嘧啶 T 时,DNA 合成器会发出不同的声音。这使得以该机器声音特征训练的算法很容易识别正在合成的核苷酸种类以及排列顺序。

这些称为寡核苷酸的核苷酸序列最终会被合成为 DNA,然后整合到细菌或病毒等生物体中。正确的 DNA 序列可以将普通酵母变成阿片类生产厂,使作物抵抗相关疾病。使用 DNA 合成器,科学家甚至可以从头开始生成全新生物的遗传密码。生物合成公司都密切保护着这些关键的 DNA 序列,以保护其核心知识产权。

有媒体联系了两家生物技术公司,询问了他们关于监听 DNA 合成器得出序列的可行性。两家公司都不认为这项技术有多大威胁。

DNA 设备制造商 Twist Bioscience 首席执行官 Emily Leproust 表示:“在我看来,这是一项学术活动。在现实世界中,这不是问题。”她说,Twist 公司内部开发的 DNA 合成器使用喷墨打印,几乎不发出任何声音。每台机器一次可以打印 100 多万个寡核苷酸,因此从声音上解析单个序列将非常困难。

合成微生物公司 Ginkgo Bioworks 的联合创始人 Barry Canton 补充说:“我认为这对生物合成技术行业没有构成任何威胁。寡核苷酸很短,所以它们只是我们序列的一个小片段。你需要将许多寡核苷酸按正确的顺序组合在一起,才能得到真正有价值的序列。这就是这个案例没有威胁的原因。这有点像试图从撕碎的纸上重新拼一份文件。”

Ginkgo 公司去年宣布,将为公司产业开发一系列生物安全措施,包括筛选客户订单的算法。目的是阻止邪恶分子利用基因成分制造致命病毒或其他有害生物。

但即使不法分子成功窃取了关键 DNA 片段的序列,要让它们在生物体中发挥作用也需要大量的测试和专业知识。Twist Bioscience 公司的 Leproust 说:“这就好比是让来自其他国家而且演技很差的人担任间谍一样,很难成功。最好的方法是等到公司做了实验,然后侵入他们的 (电脑) 系统,或者直接偷取有机体。”

实际上在生物技术行业这种间谍活动时有发生。几年前,美国联邦调查局 (FBI) 特工抓获了一群中国人,当时他们在美国公司的秘密试验田里偷挖种植玉米的种子。这些种子含有农业中一些最优秀性状的 DNA,价值数百万美元,而且代表着近十年的研究和开发成果。(2014 年,美国政府指控这些中国公民合谋窃取商业机密。其中一人认罪。另外五人据称已逃离美国。)

在这个案件里,研究人员将基因代码整合到玉米种子中后,不法分子直接偷走成品窃取基因代码。相比之下,不法分子从合成器中窃取一段 DNA 的遗传密码之后,还有大量的工作要做。

不过,报告的作者说,威胁仍然存在。生物恐怖分子可能会试图窃取基因密码,使一个有机体变成一种致命毒素的生产者,或使一种病毒更强大。反过来讲,这项技术也可以用于监视试图自制病毒或毒品的犯罪嫌疑人。

也许我们可以用这样的算法来审视我们自己。加州大学河滨分校生物工程助理教授 William Grover 是这项研究的合著者,他说:“我很乐意我的实验室里有一个麦克风,它能够听机器日常制造的声音,然后告诉我什么时候有偏差,这将是一个早期故障预警的方法。”

Grover 在学校教授生物仪器课程,他说,年轻的工程师应该学会从机器可能泄露的信息方面全方位地考虑安全问题,而不仅仅考虑传统意义上的安全。

加州大学河滨分校计算机科学与工程副教授,也是该报告的作者之一的 Philip Brisk 补充说:“我希望这能推动整个行业采取应对措施。希望人们能注意到这一点,并想出相应的办法,例如在这些机器的内部加上某种材料降低噪音,未雨绸缪。”

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