防患于未然,DNA测序中隐藏着的计算机安全威胁

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2017-08-11 09:48 Lynn 镁客网

华盛顿大学研究团队:未来生物医学将与计算机安全同气连枝。

近日,华盛顿大学研究团队围绕DNA序列转录与分析的基础安全设施进行了研究与分析,发现了世界各地实验室使用的开源软件的基本漏洞,提出需要重视DNA测序安全问题。

防患于未然,DNA测序中隐藏着的计算机安全威胁

经过近十年来的发展,DNA序列分析所需的成本和时间已经大幅降低,其中测序一组基因的成本已经降低到原来的十万分之一。对此,研究人员表示,这种改进速度之快源于现如今的DNA分析技术大多采用大规模的并行处理。

目前,现有的测序技术已经可以实现同时对数亿个DNA序列进行排序。在DNA 测序过程中,需要计算机来处理、分析和存储单个DNA样品中测序出的数十亿个DNA碱基。即便只是利用排序机来排序,它也是在计算机上运行的。

故而现在电子和生物系统之间存在不可分割的联系,对此研究人员Luis Ceze补充说道:“随着分子与电子世界越来越紧密,我们就不得不考虑它们之间的潜在互动。”

计算机安全和DNA操纵交叉学科的研究人员表示,希望了解生物分子信息与分析信息的计算机系统之间的相互作用,以及相互作用下有可能出现的计算机安全风险。

因此,研究团队试图通过像CRISPR这样的工具进行探索:首先,他们将DNA看作是包含生命信息的文件系统,接着利用分析程序读取DNA链的碱基(胞嘧啶、胸腺嘧啶等,我们都知道的A、T、G、C),并将其转化为二进制数据输入计算机进行处理。

防患于未然,DNA测序中隐藏着的计算机安全威胁

在这一过程中,研究人员表示,有两点细节之处值得注意:一是DNA测序仪未能遵循计算机安全方面的最优编码原则;二是在DNA序列中存在编码恶意软件的可能性。

问题一|未遵循最优原则

通常,在DNA测序后,会让其通过DNA数据处理通道,在经过通道时让多个计算机程序对其进行处理和分析。从通道中,研究人员获取了常用的开源程序,并针对计算机安全层面分析了这些程序,结果发现它们都没有遵循计算机安全方面的最佳编码准则。

现有计算机编程方面,原则上存在着不可避免的安全问题,因此在此过程中,有研究人员探寻出安全问题与易受攻击的代码之间的关系准则。在DNA测序中,由于开源程序并未遵循最佳准则,如果攻击者瞄准该通道,则DNA排序数据处理通道的安全性将会受到威胁。

问题二|存在序列漏洞

测序前,DNA首先存储标准的核苷酸,即DNA的基本结构单元(如A、C、G、T等字母所表示)。待其测序后,计算机程序再对该DNA数据进行处理和分析。从计算机安全层面来看,任何用作程序输入的数据都有可能包含危及计算机的代码。因此,既然可以实现排序和分析功能,也就有可能存在含有恶意计算机代码的DNA链,且会对计算机造成一定的损坏。

为了证明该理论的正确性,研究人员在DNA处理程序中加入了一个已知的安全漏洞,随后,他们设计并合成了一个DNA链,其中包含了在DNA链基础上编辑的恶意计算机代码。当DNA链被含有安全漏洞的程序排序和处理时,同时它也反过来对计算机进行远程控制,即研究人员能够使用合成的DNA链来获得对计算机的完全控制。这也就意味着恶意DNA链会对计算机造成致命的打击。

总结

研究团队表示,目前威胁尚不存在。对此,项目的研究科学家Lee Organick说:“制作的生物样品确实可以用作恶性DNA的载体,在测序后进行下游处理,然而,将恶意的DNA链从编辑的样本导入排序器是非常困难的,且存在许多技术挑战。即使能顺利地将它放入排序器进行排序,它也可能没有任何可以使用的形状(如它太分散,不能被有效地读取)。”

防患于未然,DNA测序中隐藏着的计算机安全威胁

不过,该研究团队强调,虽然没有证据表明DNA测序或DNA数据的安全性正在受到威胁,但我们应当防患于未然,将这些结果作为DNA测序生态系统中计算机安全问题研究的第一步。计算机安全研究的一个主题是,在技术成熟之前,最好在新兴技术的早期发展阶段考虑安全威胁,因为安全问题在真正显现之前更容易解决。

研究人员还表示,鼓励DNA测序在编码生物信息学软件时遵循最佳准则,特别是用于商业或敏感之处时。此外,在应用时,还应当考虑来自各种来源的威胁,包括被排序的DNA链、作为计算机攻击的载体等。未来,生物医学安全问题无疑要与计算机安全紧密联系。

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