Gli strumenti di laboratorio sono strumenti importanti durante la ricerca e l'assistenza sanitaria. Ma cosa succede se quegli strumenti stanno perdendo informazioni preziose?

Quando si parla di biosicurezza, questa potrebbe essere una minaccia molto reale, secondo un gruppo di ricercatori dell'Università della California, Irvine, e l'Università della California, Lungofiume. Registrando semplicemente i suoni di un comune strumento da laboratorio, i membri del team potevano ricostruire cosa stava facendo un ricercatore con quello strumento.

"Qualsiasi macchina attiva emette una traccia di qualche forma:residuo fisico, radiazioni elettromagnetiche, rumore acustico, ecc. La quantità di informazioni in queste tracce è immensa, e abbiamo solo colpito la punta dell'iceberg in termini di ciò che possiamo imparare e decodificare sulla macchina che li ha generati, " ha detto Philip Brisk, un professore associato di informatica della UC Riverside che ha lavorato al progetto.

In un documento presentato al Network and Distributed System Security Symposium, il gruppo ha mostrato di poter ricostruire ciò che stava facendo un ricercatore registrando i suoni dello strumento di laboratorio utilizzato. Ciò significa accademico, industriale, e i laboratori governativi sono potenzialmente aperti allo spionaggio che potrebbe destabilizzare la ricerca, compromettere lo sviluppo del prodotto, e persino mettere a rischio la sicurezza nazionale.

I ricercatori si sono chiesti se fosse possibile determinare cosa stesse producendo un sintetizzatore di DNA dai suoni prodotti dai suoi componenti durante la sua routine di produzione.

I sintetizzatori di DNA sono macchine che consentono agli utenti di costruire molecole di DNA personalizzate da pochi ingredienti di base. I ricercatori comunemente costruiscono segmenti di DNA da inserire nel genoma di altri organismi, soprattutto batteri, per creare nuovi organismi. A volte questi sistemi viventi vengono utilizzati per creare nuovi farmaci di valore o altri prodotti.

Mohammad Abdullah Al Faruque, professore di ingegneria elettrica e informatica della UC Irvine, e la sua studentessa di dottorato Sina Faezi; insieme a John C. Chaput, un professore di scienze farmaceutiche all'UC Irvine; e William Grover, un professore di bioingegneria alla UC Riverside, posiziona microfoni simili a quelli di uno smartphone in diversi punti vicino a un sintetizzatore di DNA nel laboratorio di Chaput.

Tutto il DNA è costruito da sole quattro basi, adenina (A), guanina (G), citosina (C), e timina (T), disposti in combinazioni quasi infinite. I modelli specifici, o sequenze, può essere letto come un indizio su che tipo di DNA sia.

I sintetizzatori di DNA contengono componenti che si aprono e si chiudono per rilasciare sostanze chimiche mentre producono ciascuna di queste basi, insieme ai tubi e alle camere attraverso le quali scorrono. Questi meccanismi emettono suoni distintivi mentre funzionano.

Dopo aver filtrato il rumore di fondo ed eseguito diverse regolazioni al suono registrato, i ricercatori hanno scoperto che le differenze erano troppo sottili per essere notate dagli umani.

"Ma attraverso un'attenta progettazione delle funzionalità e un algoritmo di apprendimento automatico personalizzato scritto nel nostro laboratorio, siamo stati in grado di individuare queste differenze, " Ha detto Faezi. I ricercatori hanno potuto facilmente distinguere ogni volta che la macchina ha prodotto A, G, C, o t.

Quando i ricercatori hanno utilizzato un software per analizzare i modelli AGCT acquisiti attraverso le registrazioni, hanno identificato il tipo corretto di DNA con una precisione dell'86 percento. Eseguendolo attraverso un altro noto software di sequenziamento del DNA, hanno aumentato la precisione a quasi il 100%.

Usando questo metodo, un osservatore esperto potrebbe dire se la macchina stava producendo antrace, vaiolo, o DNA di Ebola, Per esempio, o un DNA di valore commerciale destinato a essere un segreto commerciale. Il metodo potrebbe aiutare le forze dell'ordine a prevenire il bioterrorismo, ma potrebbe anche essere utilizzato da criminali o terroristi per intercettare segreti biologici.

"Alcuni anni fa, abbiamo pubblicato uno studio su un metodo simile per rubare piani di oggetti fabbricati con stampanti 3D, ma questo attacco al sintetizzatore di DNA è potenzialmente molto più serio, "Ha detto Al Faruque.

I ricercatori raccomandano che i laboratori che utilizzano macchine per la sintesi del DNA istituiscano misure di sicurezza, come il controllo rigoroso dell'accesso alle macchine e la rimozione di dispositivi di registrazione apparentemente innocui lasciati vicino alla macchina. Raccomandano inoltre che i produttori di macchine inizino a progettare componenti della macchina per ridurre il numero di suoni che emettono, sia ridisegnando o riposizionando i componenti o fasciandoli in materiale fonoassorbente.

Quasi tutte le macchine utilizzate nella ricerca biomedica emettono qualche tipo di suono, notarono Brisk e Grover, e l'hack potrebbe plausibilmente essere applicato a qualsiasi macchina.

"Il messaggio da portare a casa per i bioingegneri è che dobbiamo preoccuparci di questi problemi di sicurezza quando progettiamo strumenti, " ha detto Grover.

Oltre ad Al Faruque, vivace, Grover, Chaput, e Faezi, gli autori includono gli studenti di dottorato dell'UC Irvine Sujit Rokka Chhetri e Arnav Vaibhav Malawad. La carta, Oligo-Snoop:un attacco di canale laterale non invasivo contro le macchine per la sintesi del DNA, sarà presentato al simposio sulla sicurezza delle reti e dei sistemi distribuiti 2019, che si svolge a San Diego tra il 24-27 febbraio.