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2号站注册登录DNA已经数字化了——有什么可能出错呢?

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生物学正日益数字化。像我们这样的研究人员使用计算机来分析DNA,操作实验室设备和存储遗传信息。但是,新的能力也意味着新的风险——生物学家在很大程度上仍然没有意识到数字化生物技术带来的潜在脆弱性。
 
随着计算机在生命科学领域的应用日益广泛,2号站网络生物安全这一新兴领域探索出了一系列全新的风险。
 
大学科学家、行业利益相关者和政府机构已经开始讨论这些威胁。我们甚至在科罗拉多州立大学(Colorado State University)和弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)接待了来自大规模杀伤性武器理事会(Weapons of Mass Destruction Directorate)的FBI特工,让他们参加合成生物学和相关网络生物安全风险的速成课程。一年前,我们参加了美国国防部资助的一个评估生物技术基础设施安全性的项目。结果是保密的,但我们揭示了我们在生物技术新趋势的论文中得到的一些教训。
 
与来自弗吉尼亚理工大学和内布拉斯加大学林肯分校的合著者一起,我们讨论了两种主要的威胁:破坏生物学家依赖的机器和制造危险的生物材料。
 
计算机病毒影响物理世界
 
2010年,伊朗一家核电站发生了神秘的设备故障。几个月后,一家安全公司被叫来解决一个看起来不相关的问题。他们发现了一种恶意电脑病毒。这种被称为震网病毒的病毒让设备震动。这一故障导致该核电站三分之一的设备关闭,阻碍了伊朗核计划的发展。
 
与大多数病毒不同的是,震网病毒并不只针对电脑。它攻击由计算机控制的设备。
 
计算机科学和生物学的结合为惊人的发现打开了大门。在计算机的帮助下,我们破译了人类基因组,创造了具有新能力的有机体,实现了药物开发的自动化和食品安全的革命性变革。
 
震网病毒(Stuxnet)证明,网络安全入侵可能会造成物理损害。如果这些损害有生物学上的后果呢?生物恐怖分子会袭击研究传染病的政府实验室吗?那些生产救命药物的制药公司呢?随着生命科学家越来越依赖数字工作流程,这种可能性可能会越来越大。
 
干扰DNA
 
在线获取遗传信息的便捷性使科学民主化,使社区实验室的业余科学家能够应对开发可负担得起的胰岛素等挑战。
 
但是,物理DNA序列和它们的数字表示之间的界限正变得越来越模糊。包括恶意软件在内的数字信息现在可以通过DNA进行存储和传输。j·克雷格·文特尔研究所(J. Craig Venter Institute)甚至创造了一个完整的合成基因组,该基因组以编码链接和隐藏信息为水印。
 
20年前,基因工程师只能通过拼接天然DNA分子来创造新的DNA分子。今天,科学家可以使用化学方法来制造合成DNA。
 
这些分子的序列通常是用软件生成的。就像电气工程师用软件来设计计算机芯片,计算机工程师用软件来编写计算机程序一样,基因工程师用软件来设计基因。
 
这意味着,获取特定的物理样本不再是创建新的生物样本的必要条件。如果说创造一种危险的人类病原体只需要互联网接入,那是夸大其词,但也只是轻描淡写。例如,在2006年,一位记者利用公开的数据在邮件中订购了一个天花DNA片段。此前一年,美国疾病控制中心(Centers for Disease Control,简称cdc)利用公布的DNA序列作为蓝图,重建了导致西班牙流感的病毒。西班牙流感是有史以来最致命的流行病之一。
 
在计算机的帮助下,编辑和编写DNA序列几乎与操纵文本文档一样容易。它可以是带有恶意的。
 
首先:认清威胁
 
到目前为止,围绕网络生物安全的讨论主要集中在世界末日的情景上。威胁是双向的。
 
一方面,像Stuxnet这样的计算机病毒可以被用来侵入生物实验室的数字控制机器。DNA甚至可以通过编码恶意软件来实施攻击,当DNA序列被测序计算机翻译成数字文件时,恶意软件就会被解锁。
 
另一方面,坏人可以使用软件和数字数据库来设计或重建病原体。如果不法分子入侵序列数据库或设计新的DNA分子进行数字设计,意图造成伤害,结果可能是灾难性的。

并不是所有的网络生物安全威胁都是有预谋的或犯罪的。翻译一个物理DNA分子和它的数字参考时发生的无意的错误是常见的。这些错误可能不会危及国家安全,但它们可能导致代价高昂的延误或产品召回。
 
尽管存在这些风险,但对于研究人员来说,从合作伙伴或公司订购样本并从不费心确认他们收到的实物样本是否与他们预期的数字序列相符,这并不罕见。
 
基础设施的变化和新技术可能有助于提高生命科学工作流程的安全性。例如,2号站代理自愿筛选准则已经到位,以帮助DNA合成公司筛选已知病原体的订单。大学可以为任何即将发出的DNA合成指令制定类似的强制性指导方针。
 
目前也没有简单、经济的方法通过全基因组测序来确认DNA样本。可以开发简化的协议和用户友好的软件,使排序筛选成为常规。
 
操纵DNA的能力曾经是少数人的特权,在范围和应用上都非常有限。今天,生命科学家依靠全球供应链和计算机网络以前所未有的方式操纵DNA。现在是时候开始考虑数字/DNA接口的安全性了,而不是在一个新的类似stuxnet的网络生物安全漏洞之后。

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