ДНК стала цифровой — что может пойти не так?

Биология становится всё более цифровой. Исследователи используют компьютеры для анализа ДНК, управления лабораторным оборудованием и хранения генетической информации. Но новые возможности означают и новые риски — биологи в основном не осознают потенциальные уязвимости, связанные с цифровизацией биотехнологий.

Возникающая область кибербиобезопасности изучает целый новый класс рисков, связанных с растущим использованием компьютеров в науках о жизни.

Учёные, представители индустрии и госструктур начали обсуждать эти угрозы. Мы даже проводили краткие курсы по синтетической биологии и связанным с ней рискам кибербиобезопасности для агентов ФБР из Управления по оружию массового поражения в Университете штата Колорадо и ранее в Технологическом институте Виргинии. Год назад мы участвовали в проекте, финансируемом Министерством обороны США, по оценке безопасности биотехнологической инфраструктуры. Результаты засекречены, но мы раскрываем некоторые извлечённые уроки в нашей новой статье в Trends in Biotechnology.

Вместе с соавторами из Технологического института Виргинии и Университета Небраски-Линкольна мы обсуждаем две основные угрозы: саботаж оборудования, на которое полагаются биологи, и создание опасных биологических материалов.

Компьютерные вирусы, влияющие на физический мир

В 2010 году на иранской атомной электростанции произошли загадочные сбои оборудования. Месяцы спустя для устранения, казалось бы, не связанной проблемы пригласили специалистов по безопасности. Они обнаружили вредоносный компьютерный вирус Stuxnet. Вирус заставлял оборудование вибрировать. Сбой вывел из строя треть оборудования станции, замедлив развитие иранской ядерной программы.

В отличие от большинства вирусов, Stuxnet атаковал не только компьютеры, но и управляемое ими оборудование.

Союз компьютерных наук и биологии открыл дверь к удивительным открытиям. С помощью компьютеров мы расшифровываем геном человека, создаём организмы с новыми возможностями, автоматизируем разработку лекарств и революционизируем безопасность продуктов питания.

Stuxnet продемонстрировал, что нарушения кибербезопасности могут причинять физический ущерб. Что, если этот ущерб будет иметь биологические последствия? Могут ли биотерористы атаковать правительственные лаборатории, изучающие инфекционные заболевания? Или фармацевтические компании, производящие жизненно важные лекарства? По мере того как учёные-биологи всё больше полагаются на цифровые процессы, вероятность этого, вероятно, растёт.

Манипуляции с ДНК

Лёгкость доступа к генетической информации в интернете демократизировала науку, позволяя учёным-любителям в общественных лабораториях решать такие задачи, как разработка доступного инсулина.

Но граница между физическими последовательностями ДНК и их цифровым представлением становится всё более размытой. Цифровая информация, включая вредоносное ПО, теперь может храниться и передаваться с помощью ДНК. Институт Крейга Вентера даже создал целый синтетический геном с водяными знаками в виде закодированных ссылок и скрытых сообщений.

Двадцать лет назад генетические инженеры могли создавать новые молекулы ДНК, только сшивая природные молекулы. Сегодня учёные могут использовать химические процессы для производства синтетической ДНК.

Последовательность этих молекул часто генерируется с помощью программного обеспечения. Подобно тому, как инженеры-электронщики используют ПО для проектирования микросхем, а компьютерные инженеры — для написания программ, генетические инженеры используют ПО для проектирования генов.

Это означает, что для создания новых биологических образцов больше не нужен доступ к конкретным физическим образцам. Утверждение, что для создания опасного человеческого патогена нужен только доступ в интернет, было бы преувеличением — но лишь небольшим. Например, в 2006 году журналист использовал общедоступные данные, чтобы заказать по почте фрагмент ДНК вируса оспы. Годом ранее Центры по контролю и профилактике заболеваний США использовали опубликованные последовательности ДНК в качестве чертежа для реконструкции вируса, ответственного за испанский грипп, одну из самых смертоносных пандемий в истории.

С помощью компьютеров редактирование и создание последовательностей ДНК стало почти таким же лёгким, как работа с текстовыми документами. И это можно делать со злым умыслом.

Первый шаг: осознать угрозу

Разговоры о кибербиобезопасности до сих пор в основном сосредоточены на сценариях судного дня. Угрозы носят двунаправленный характер.

С одной стороны, компьютерные вирусы, подобные Stuxnet, могут быть использованы для взлома цифрового оборудования в биологических лабораториях. ДНК даже может быть использована для доставки атаки, кодируя вредоносное ПО, которое активируется, когда последовательности ДНК переводятся в цифровые файлы компьютером для секвенирования.

С другой стороны, злоумышленники могут использовать программное обеспечение и цифровые базы данных для проектирования или реконструкции патогенов. Если злонамеренные агенты взломают базы данных последовательностей или спроектируют новые молекулы ДНК с намерением причинить вред, последствия могут быть катастрофическими.

И не все угрозы кибербиобезопасности являются преднамеренными или криминальными. Часты непреднамеренные ошибки, возникающие при переводе между физической молекулой ДНК и её цифровой записью. Эти ошибки могут не угрожать национальной безопасности, но способны вызвать дорогостоящие задержки или отзыв продукции.

Несмотря на эти риски, исследователи нередко заказывают образцы у коллаборатора или компании и даже не утруждают себя проверкой, соответствует ли полученный физический образец ожидаемой цифровой последовательности.

Изменения в инфраструктуре и новые технологии могут помочь повысить безопасность рабочих процессов в науках о жизни. Например, уже существуют добровольные руководящие принципы скрининга, помогающие компаниям по синтезу ДНК проверять заказы на наличие известных патогенов. Университеты могли бы ввести аналогичные обязательные правила для всех исходящих заказов на синтез ДНК.

В настоящее время также нет простого и доступного способа подтверждения образцов ДНК с помощью полногеномного секвенирования. Можно было бы разработать упрощённые протоколы и удобное ПО, чтобы скрининг с помощью секвенирования стал рутиной.

Возможность манипулировать ДНК когда-то была привилегией избранных и очень ограниченной по масштабу и применению. Сегодня учёные-биологи полагаются на глобальные цепочки поставок и сети компьютеров, которые манипулируют ДНК беспрецедентными способами. Время задуматься о безопасности цифрового и ДНК-интерфейсов — сейчас, а не после нового нарушения кибербиобезопасности, подобного Stuxnet.