Laboratoriuminstrumenten zijn belangrijke instrumenten in onderzoek en gezondheidszorg. Maar wat als die instrumenten waardevolle informatie lekken?

Als het gaat om bioveiligheid, dit kan een zeer reële bedreiging zijn, volgens een groep onderzoekers van de Universiteit van Californië, Irvine, en de Universiteit van Californië, Rivieroever. Door simpelweg de geluiden van een gewoon laboratoriuminstrument op te nemen, de teamleden konden reconstrueren wat een onderzoeker met dat instrument deed.

"Elke actieve machine zendt een spoor van een of andere vorm uit:fysiek residu, electromagnetische straling, akoestische ruis, etc. De hoeveelheid informatie in deze sporen is immens, en we hebben nog maar het topje van de ijsberg bereikt in termen van wat we kunnen leren en reverse-engineeren over de machine die ze heeft gegenereerd, " zei Philip Brisk, een UC Riverside universitair hoofddocent computerwetenschappen die aan het project werkte.

In een paper gepresenteerd op het Network and Distributed System Security Symposium, de groep liet zien dat ze konden reconstrueren wat een onderzoeker aan het doen was door de geluiden van het gebruikte laboratoriuminstrument op te nemen. Dat betekent academische, industrieel, en overheidslaboratoria staan ​​potentieel wijd open voor spionage die onderzoek zou kunnen destabiliseren, productontwikkeling in gevaar brengen, en zelfs de nationale veiligheid in gevaar brengen.

De onderzoekers vroegen zich af of het mogelijk was om te bepalen wat een DNA-synthesizer produceerde aan de hand van de geluiden die de componenten maakten tijdens zijn productieroutine.

DNA-synthesizers zijn machines waarmee gebruikers op maat gemaakte DNA-moleculen kunnen bouwen van een paar basisingrediënten. Onderzoekers construeren gewoonlijk DNA-segmenten om in het genoom van andere organismen in te voegen, vooral bacteriën, nieuwe organismen te maken. Soms worden deze levende systemen gebruikt om waardevolle nieuwe geneesmiddelen of andere producten te maken.

Brisk en UC Irvine professor in elektrische en computertechniek Mohammad Abdullah Al Faruque en zijn doctoraalstudent Sina Faezi; samen met John C. Chaput, een professor in de farmaceutische wetenschappen aan UC Irvine; en William Grover, een bio-ingenieursprofessor aan UC Riverside, plaats microfoons die vergelijkbaar zijn met die in een smartphone op verschillende plaatsen in de buurt van een DNA-synthesizer in het lab van Chaput.

Al het DNA is opgebouwd uit slechts vier basen, adenine (A), guanine (G), cytosine (C), en thymine (T), gerangschikt in bijna oneindige combinaties. De specifieke patronen, of sequenties, kan worden gelezen als een aanwijzing voor wat voor soort DNA het is.

DNA-synthesizers bevatten componenten die openen en sluiten om chemicaliën af te geven terwijl ze elk van deze basen produceren, samen met de buizen en kamers waardoor ze stromen. Deze mechanismen maken onderscheidende geluiden terwijl ze werken.

Na het uitfilteren van achtergrondgeluid en het uitvoeren van verschillende aanpassingen aan het opgenomen geluid, de onderzoekers ontdekten dat de verschillen te subtiel waren voor mensen om op te merken.

"Maar door een zorgvuldige feature-engineering en een op maat gemaakt algoritme voor machinaal leren dat in ons laboratorium is geschreven, we hebben die verschillen kunnen lokaliseren, " zei Faezi. De onderzoekers konden elke keer dat de machine A produceerde gemakkelijk onderscheiden, G, C, of T.

Toen de onderzoekers software gebruikten om de AGCT-patronen te analyseren die ze via de opnames hadden verkregen, ze identificeerden het juiste type DNA met een nauwkeurigheid van 86 procent. Door het door aanvullende bekende software voor DNA-sequencing te laten lopen, ze verhoogden de nauwkeurigheid tot bijna 100 procent.

Met behulp van deze methode, een deskundige waarnemer kon zien of de machine miltvuur maakte, pokken, of Ebola-DNA, bijvoorbeeld, of een commercieel waardevol DNA dat bedoeld is als handelsgeheim. De methode kan de rechtshandhaving helpen om bioterrorisme te voorkomen, maar het kan ook door criminelen of terroristen worden gebruikt om biologische geheimen te onderscheppen.

"Een paar jaar geleden, we hebben een studie gepubliceerd over een vergelijkbare methode voor het stelen van plannen van objecten die in 3D-printers worden gefabriceerd, maar deze DNA-synthesizer-aanval is potentieel veel ernstiger, ' zei Al Faruque.

De onderzoekers bevelen aan dat laboratoria die DNA-synthetiserende machines gebruiken beveiligingsmaatregelen nemen, zoals het strikt controleren van de toegang tot de machines en het verwijderen van onschuldig ogende opnameapparatuur die in de buurt van de machine is achtergelaten. Ze bevelen ook aan dat machinefabrikanten beginnen met het ontwerpen van machinecomponenten om het aantal geluiden dat ze maken te verminderen, ofwel door de componenten opnieuw te ontwerpen of te verplaatsen of door ze in geluidabsorberend materiaal te wikkelen.

Bijna alle machines die in biomedisch onderzoek worden gebruikt, maken een of ander geluid, merkte Brisk en Grover op, en de hack zou mogelijk op elke machine kunnen worden toegepast.

"De boodschap voor bio-ingenieurs is dat we ons zorgen moeten maken over deze beveiligingsproblemen wanneer we instrumenten ontwerpen, ' zei Grover.

Naast Al Faruque, stevig, Grover, chaput, en Faezi, auteurs zijn onder meer UC Irvine promovendi Sujit Rokka Chhetri en Arnav Vaibhav Malawad. De krant, Oligo-Snoop:een niet-invasieve zijkanaalaanval op DNA-synthesemachines, zal worden gepresenteerd op het 2019 Network and Distributed Systems Security Symposium, die plaatsvindt in San Diego tussen 24-27 februari.