窺探生物技術公司如何製造合成DNA是可行的,只需要一段錄音就能實現

2021-01-10 電子發燒友

最近，加州大學的工程師們表示，他們已經證明，窺探生物技術公司如何製造合成 DNA 是可行的，只需要一段錄音就能實現：只要把一部智慧型手機放在 DNA 合成器附近，錄下聲音，然後通過訓練有素的算法來識別 DNA 合成器發出的滴答聲和嗡嗡聲，這樣就能確切地知道合成器中正在生成的 DNA「模塊」的相關組合序列。

上周，研究人員在聖地牙哥舉行的 2019 年網絡和分布式系統安全研討會上展示了他們的研究結果。研究人員在一種廣泛使用的老式 DNA 合成器 3400 上演示了上述技術。

研究人員進行這項研究的目的是說服工程師，在設計生物儀器時需要考慮到這些安全漏洞。研究人員表示，網絡入侵並不是竊取專用數據的唯一途徑。

加州大學歐文分校的電氣和計算機工程教授 Mohammad Al Faruque 的團隊開發了相關算法，他說：「這臺機器發出的聲音是問題所在。」他還表示，機器傳出的所有信息都可以進行分析。機器可以發射電磁場、散熱或者振動，所有這些都可能為不法分子或生物恐怖分子提供挖掘敏感信息的線索。Al Faruque 說，製造機器的相關人員需要「考慮到所有這些漏洞，然後設計機器」。

在 DNA 合成工具中，聲學揭示了所有秘密。合成不同的 DNA「模塊」（核苷酸腺嘌呤 A、鳥嘌呤 G、胞嘧啶 C 或胸腺嘧啶 T ）時，DNA 合成器會發出不同的聲音。這使得以該機器聲音特徵訓練的算法很容易識別正在合成的核苷酸種類以及排列順序。

這些稱為寡核苷酸的核苷酸序列最終會被合成為 DNA，然後整合到細菌或病毒等生物體中。正確的 DNA 序列可以將普通酵母變成阿片類生產廠，使作物抵抗相關疾病。使用 DNA 合成器，科學家甚至可以從頭開始生成全新生物的遺傳密碼。生物合成公司都密切保護著這些關鍵的 DNA 序列，以保護其核心智慧財產權。

有媒體聯繫了兩家生物技術公司，詢問了他們關於監聽 DNA 合成器得出序列的可行性。兩家公司都不認為這項技術有多大威脅。

DNA 設備製造商 Twist Bioscience 執行長 Emily Leproust 表示:「在我看來，這是一項學術活動。在現實世界中，這不是問題。」她說，Twist 公司內部開發的 DNA 合成器使用噴墨列印，幾乎不發出任何聲音。每臺機器一次可以列印 100 多萬個寡核苷酸，因此從聲音上解析單個序列將非常困難。

合成微生物公司 Ginkgo Bioworks 的聯合創始人 Barry Canton 補充說:「我認為這對生物合成技術行業沒有構成任何威脅。寡核苷酸很短，所以它們只是我們序列的一個小片段。你需要將許多寡核苷酸按正確的順序組合在一起，才能得到真正有價值的序列。這就是這個案例沒有威脅的原因。這有點像試圖從撕碎的紙上重新拼一份文件。」

Ginkgo 公司去年宣布，將為公司產業開發一系列生物安全措施，包括篩選客戶訂單的算法。目的是阻止邪惡分子利用基因成分製造致命病毒或其他有害生物。

但即使不法分子成功竊取了關鍵 DNA 片段的序列，要讓它們在生物體中發揮作用也需要大量的測試和專業知識。Twist Bioscience 公司的 Leproust 說:「這就好比是讓來自其他國家而且演技很差的人擔任間諜一樣，很難成功。最好的方法是等到公司做了實驗，然後侵入他們的 (電腦) 系統，或者直接偷取有機體。」

實際上在生物技術行業這種間諜活動時有發生。幾年前，美國聯邦調查局 (FBI) 特工抓獲了一群中國人，當時他們在美國公司的秘密試驗田裡偷挖種植玉米的種子。這些種子含有農業中一些最優秀性狀的 DNA，價值數百萬美元，而且代表著近十年的研究和開發成果。(2014 年，美國政府指控這些中國公民合謀竊取商業機密。其中一人認罪。另外五人據稱已逃離美國。)

在這個案件裡，研究人員將基因代碼整合到玉米種子中後，不法分子直接偷走成品竊取基因代碼。相比之下，不法分子從合成器中竊取一段 DNA 的遺傳密碼之後，還有大量的工作要做。

不過，報告的作者說，威脅仍然存在。生物恐怖分子可能會試圖竊取基因密碼，使一個有機體變成一種致命毒素的生產者，或使一種病毒更強大。反過來講，這項技術也可以用於監視試圖自製病毒或毒品的犯罪嫌疑人。

也許我們可以用這樣的算法來審視我們自己。加州大學河濱分校生物工程助理教授 William Grover 是這項研究的合著者，他說：「我很樂意我的實驗室裡有一個麥克風，它能夠聽機器日常製造的聲音，然後告訴我什麼時候有偏差，這將是一個早期故障預警的方法。」

Grover 在學校教授生物儀器課程，他說，年輕的工程師應該學會從機器可能洩露的信息方面全方位地考慮安全問題，而不僅僅考慮傳統意義上的安全。

加州大學河濱分校計算機科學與工程副教授，也是該報告的作者之一的 Philip Brisk 補充說:「我希望這能推動整個行業採取應對措施。希望人們能注意到這一點，並想出相應的辦法，例如在這些機器的內部加上某種材料降低噪音，未雨綢繆。」

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