Криптографические методы для проверки синтетической ДНК могут предотвратить создание опасных патогенов

В 2016 году синтетические биологи реконструировали возможно вымершее заболевание — лошадиную оспу — используя заказанную по почте ДНК примерно за $100 000. Эксперимент проводился строго в исследовательских целях, а сам вирус безвреден для человека. Но опубликованные результаты, включая методологию, вызвали опасения, что злоумышленник с достаточными ресурсами мог бы создать пандемию. В статье, опубликованной сегодня в PLOS Pathogens, профессор Media Lab Кевин Эсвельт, разрабатывающий и изучающий методы редактирования генов, выступает за усиление биобезопасности и большую прозрачность исследований, чтобы держать под контролем такие «информационные угрозы» — опубликованную информацию, которую можно использовать для причинения вреда.

Что такое информационные угрозы и почему они важны в синтетической биологии?

Наше общество не готово принять мысль, что некоторая информация опасна, но, к сожалению, это так. Никто не считает, что чертежи ядерного оружия должны быть публичными, но мы коллективно считаем, что геномные последовательности вирусов должны быть публичными. Это не было проблемой, пока синтез ДНК не стал очень эффективным. Текущая система регулирования опасных биологических агентов обходится с помощью синтеза ДНК. Синтез ДНК становится доступным для широкого круга людей, а инструкции по созданию опасных вещей свободно доступны в интернете.

В случае исследования лошадиной оспы, например, информационная угроза частично содержится в статье и описанных методах. Но она также и в освещении этого в СМИ, которые подчеркивают, что можно сделать что-то плохое. И это усугубляется людьми, которые бьют тревогу, потому что мы говорим с журналистами о потенциальном вреде, и это только подпитывает угрозу. Как критики этих вещей, мы тоже распространяем информационные угрозы.

Часть решения — просто признать, что открытость информации имеет свои издержки, и принять меры для их минимизации. Это означает повышение осведомленности о существовании информационных угроз и большую осторожность в обсуждении, и особенно в цитировании, опасных работ. Информационные угрозы — это проблема «трагедии общин». Каждый думает, что если информация уже опубликована, то еще одна цитата не навредит. Но все думают так. Это накапливается, пока информация не оказывается в Википедии.

Как криптография может помочь создать рынок «чистой» ДНК?

Нам действительно нужно что-то сделать с легкостью синтеза ДНК и доступностью потенциальных пандемических патогенов. Очевидное решение — внедрить проверку для всего синтеза ДНК. Международный консорциум по синтезу генов (IGSC) был создан лидерами индустрии после атак с сибирской язвой. Чтобы быть членом, компания должна демонстрировать проверку заказов, но компании-члены охватывают только 80% коммерческого рынка и ни одного из синтезирующих предприятий внутри крупных фирм. И нет внешнего способа проверить, что компании IGSC действительно проводят проверку или проверяют правильные вещи.

Нужна более централизованная система, в которой весь синтез ДНК в мире автономно проверялся бы, и синтез разрешался бы только если во фрагментах не найдены опасные последовательности. Это проблема криптографии.

С одной стороны, есть коммерческая тайна, потому что фирмы, производящие ДНК, не хотят, чтобы другие знали, что они делают. С другой стороны, есть база данных угроз, которая должна быть бесполезной в случае кражи. Нужно шифровать заказы, отправлять их в централизованную базу данных и затем узнавать, безопасны ли они. Затем нужна система, позволяющая людям добавлять что-то в базу данных, что можно делать приватно. Это полностью достижимо с современной криптографией. Можно использовать хеши [которые преобразуют ввод букв и чисел в зашифрованный вывод фиксированной последовательности] или более новый метод полностью гомоморфного шифрования, который позволяет производить вычисления с зашифрованными данными, никогда не расшифровывая их.

Мы только начинаем работать над этой задачей. Цель статьи в PLOS Pathogens — заложить основу для этой системы.

В долгосрочной перспективе уполномоченные эксперты смогут добавлять угрозы в свои собственные базы данных. Это идеальный способ борьбы с информационными угрозами. Если я придумаю последовательность, которая, как я уверен, очень опасна, и людям не стоит её создавать, в идеале я смогу добавить её в базу данных, возможно, совместно с одним другим уполномоченным пользователем, который согласен. Это может гарантировать, что никто другой не создаст именно эту последовательность, без неоправданного распространения опасной информации о её идентичности и потенциальной природе.

Как рецензирование на ранних стадиях исследований может помочь предотвратить информационные угрозы?

Исследование лошадиной оспы было спорным с точки зрения соотношения пользы и рисков. Говорили, что одной из выгод было подчеркивание того, что вирусы можно создавать с нуля. В онкологической вирусной терапии, где создают вирусы для уничтожения рака, [эта информация] могла бы ускорить исследования. Также предполагалось, что лошадиную оспу можно использовать для создания лучшей вакцины, но исследователи не могли получить образец. Это может быть правдой. Но это всё равно явная информационная угроза. Можно ли было избежать этого аспекта?

В идеале, исследование лошадиной оспы было бы рассмотрено другими экспертами, включая тех, кого беспокоят его последствия, и они могли бы указать, например, что можно было бы в качестве примера создать вирус без опасных родственников — или создать лошадиную оспу, использовать её для разработки вакцины, а затем просто не уточнять, что она создана с нуля. Тогда были бы все исследовательские выгоды от исследования без создания информационной угрозы. Это было бы возможно, если бы другим экспертам дали возможность взглянуть на дизайн исследования до проведения экспериментов.

При текущем процессе обычно есть только рецензирование в конце исследования. На фазе разработки дизайна исследования обратной связи нет вообще. Время, когда рецензирование было бы наиболее полезным, — это именно эта фаза. Этот переход требует, чтобы спонсоры, журналы и правительства объединились, чтобы изменить [процесс] в небольших подполях. В областях, явно не имеющих информационных угроз, можно было бы публично предварительно регистрировать планы исследований и приглашать отзывы. В таких областях, как синтетическая маммологическая вирусология, которые представляют явные угрозы, нужно было бы отправлять планы исследований нескольким рецензентам в этой области для оценки безопасности и предложений по улучшению. Часто существует лучший способ проведения эксперимента, чем вы изначально представляли, и если они могут указать на это в начале, то отлично. Я думаю, что обе модели приведут к более быстрой науке, чего мы тоже хотим.

Университеты могли бы начать с создания специального внутреннего процесса раннего рецензирования экспериментов с генным драйвом [технологией генной инженерии] и маммологической вирусологией. Как ученый, работающий в обеих этих областях, я был бы рад участвовать. Вопрос в том: как мы можем заниматься [синтетической биологией] таким образом, чтобы продолжать или даже ускорять полезные открытия, избегая при этом тех, что имеют потенциально катастрофические последствия?