[論文レビュー] Cyberbiosecurity: DNA Injection Attack in Synthetic Biology

Dor Farbiash, Rami Puzis|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2020

CRISPR and Genetic Engineering参考文献 46被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、合成DNAスクリーニングプロトコルを回避するように悪意あるDNAをオーバーライドすることで、CRISPR-Cas9遺伝子編集を介して生きた細胞内で復号・発現させることで、物理的接触なしに危険物質を遠隔で生成する、画期的なサイバーバイオロジカル攻撃を提案する。主な貢献は、HHS指針を回避する100%のオーバーライド配列を検出できるGene Edit Distance (GED)スクリーニング手法であり、現行のバイオセキュリティフレームワークにおける深刻な脆弱性を示している。

ABSTRACT

Today arbitrary synthetic DNA can be ordered online and delivered within several days. In order to regulate both intentional and unintentional generation of dangerous substances, most synthetic gene providers screen DNA orders. A weakness in the Screening Framework Guidance for Providers of Synthetic Double-Stranded DNA allows screening protocols based on this guidance to be circumvented using a generic obfuscation procedure inspired by early malware obfuscation techniques. Furthermore, accessibility and automation of the synthetic gene engineering workflow, combined with insufficient cybersecurity controls, allow malware to interfere with biological processes within the victim's lab, closing the loop with the possibility of an exploit written into a DNA molecule presented by Ney et al. in USENIX Security'17. Here we present an end-to-end cyberbiological attack, in which unwitting biologists may be tricked into generating dangerous substances within their labs. Consequently, despite common biosecurity assumptions, the attacker does not need to have physical contact with the generated substance. The most challenging part of the attack, decoding of the obfuscated DNA, is executed within living cells while using primitive biological operations commonly employed by biologists during in-vivo gene editing. This attack scenario underlines the need to harden the synthetic DNA supply chain with protections against cyberbiological threats. To address these threats we propose an improved screening protocol that takes into account in-vivo gene editing.

研究の動機と目的

• 悪意あるDNAがバイオロジストのワークフローにインジェクションされ、物理的接触なしに危険物質の生成を引き起こす遠隔サイバーバイオロジカル攻撃を実証すること。
• HHSスクリーニングフレームワークガイダンスが、オーバーライド技術による回避を許容する深刻な脆弱性を暴露すること。
• オーバーライドされた悪意あるDNA配列を検出できる、強化されたスクリーニング手法Gene Edit Distance (GED)を提案すること。
• ソフトウェアおよび生物学的プロトコルレベルでのサイバーセキュリティ制御の統合の必要性を強調すること。
• インビトロ遺伝子編集を復号メカニズムとして考慮する、改善されたバイオセキュリティスクリーニング基準の導入を提唱すること。

提案手法

• マルウェアのオーバーライド技術を模倣した遺伝子オーバーライド技術を用い、パターンマッチングスクリーニングツールを回避するようにヌクレオチド配列を変更する。
• 悪意あるDNAはHHS指針では検出されないが、標準的なCRISPR-Cas9遺伝子編集プロトコルを用いて生きた細胞内で復号・発現可能である。
• 提案されたGene Edit Distance (GED)メトリックは、良性配列を悪意ある配列に変換するために必要な最小の遺伝子編集操作（挿入、削除、置換など）の数を計算し、オーバーライドされた脅威の検出を可能にする。
• 実世界のオーバーライドパターンを想定した、50個のオーバーライドDNA配列からなるベンチマークデータセットを構築した。
• 一般的なインビトロ編集操作をモデル化することで生物学的妥当性を統合し、実際のラボワークフローに適合した検出を保証した。
• 緩和戦略には、パスワード保護されたデジタルレポート、ハードカーボン品質レポート、セキュリティ関連メタデータを含む物理的チューブラベル、生物学的レベルのCas9阻害が含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルウェア由来のオーバーライド技術を用いても、DNAが後に生きた細胞内で復号される場合、既存のDNAスクリーニングガイドラインは回避可能か？
• RQ2 標準的なインビトロ遺伝子編集によって復号される場合、オーバーライドDNA配列がHHSスクリーニングフレームワークガイダンスからどれほど検出を回避できるか？
• RQ3 Gene Edit Distance (GED) という新しいスクリーニングメトリックは、現在のガイドラインを回避するオーバーライドされた悪意あるDNA配列を効果的に検出できるか？
• RQ4 サイバーと生物学的攻撃表面の統合により、最終製品への物理的アクセスなしに、遠隔でエンドツーエンドのサイバーバイオロジカル攻撃が可能になるか？
• RQ5 ソフトウェア、バイオセキュリティ、生物学的プロトコルレベルで、実装可能な実用的セキュリティ制御は何か？

主な発見

• ベンチマークデータセットに含まれる50個のオーバーライドDNAサンプルのうち、16個がHHSスクリーニングフレームワークガイダンスによって検出されず、顕著な検出ギャップを示した。
• Gene Edit Distance (GED)手法は、すべての50個のオーバーライドDNAサンプルを検出に成功し、悪意あるコンテンツに復号される配列を検出する点でHHSガイドラインを上回った。
• 攻撃シナリオにより、遠隔攻撃者がバイオロジストのワークフローに悪意あるDNAをインジェクションし、最終製品への物理的アクセスなしにインビトロで危険物質を生成可能であることが示された。
• 本研究は、一般的なインビトロ遺伝子編集操作を悪用するオーバーライド技術に対して、現行のバイオセキュリティスクリーニングプロトコルが不十分であることを明らかにした。
• パスワード保護レポート、ハードカーボン品質レポート、チューブラベルの導入といった提案された緩和戦略は、サイバーバイオロジカル攻撃のリスクを顕著に低減できる。
• 研究は、生物学的復号メカニズムを考慮したサイバーセキュリティに配慮したスクリーニング手法を用いて、合成DNAサプライチェーンを強化する緊急の必要性を強調している。