Los ingenieros de la Universidad de Duke y la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York han demostrado un método para garantizar que un método cada vez más popular de identificación genética llamado "huella digital de ADN" permanezca seguro contra errores involuntarios o ataques maliciosos en el campo.
La técnica se basa en introducir "códigos de barras" genéticos en las muestras de ADN a medida que se recolectan y enviar de manera segura información crucial para identificar estos códigos de barras a los técnicos en el laboratorio. El sistema muestra una forma de garantizar que una muestra tomada en el campo, transportada aun laboratorio y procesado para identificación genética es genuino.
Los resultados aparecen en línea el 14 de mayo en la revista Transacciones IEEE sobre información forense y seguridad .
"Si piensa en las técnicas de encriptación convencionales, como la seguridad de un teléfono inteligente, generalmente hay un código de acceso que solo una persona conoce", dijo Mohamed Ibrahim, ingeniero de diseño de sistema en chip de Intel Corporation y reciente ingeniería eléctrica y de computadoras de DukeDoctorado graduado: "Nuestra idea es inyectar material no dañino en muestras genéticas inmediatamente cuando se recolectan en el campo que actúan como una contraseña similar. Esto garantizaría que las muestras sean auténticas cuando lleguen a la etapa de procesamiento".
las huellas dactilares de ADN son un método para identificar a una persona, organismo o enfermedad específicos basándose solo en una pequeña cantidad de material genético. Si bien aproximadamente el 99.9 por ciento del ADN entre dos humanos no relacionados es el mismo, eso todavía deja alrededor de tres millones de pares de bases queson diferentes. Y dentro de ese conjunto de datos potencialmente identificable, ciertos segmentos cortos de secuencias de ADN son mucho más propensos que otros a variar en composición de persona a persona.
En lugar de secuenciar el genoma completo de una persona, que todavía cuesta más de $ 1,000 por pop, los científicos pueden apuntar a un puñado de estas secuencias cortas para su identificación. En las huellas digitales de ADN, una técnica llamada reacción en cadena de la polimerasa PCR replica las secuencias genéticas en estossitios repetidamente para que puedan leerse fácilmente. Según las combinaciones específicas de ácidos nucleicos en estos diversos sitios, las muestras genéticas se pueden combinar con sus fuentes. Si bien puede parecer que se necesitarían datos de cientos de estos sitios para hacer unacoinciden, varían tanto de persona a persona que la Oficina Federal de Investigaciones actualmente recomienda que solo 13 sean necesarios.
A medida que aumenta la popularidad de esta técnica y la tecnología de PCR subyacente, varias compañías están en una carrera para simplificar el proceso y crear soluciones más baratas. Y a medida que estos dispositivos se vuelven más pequeños, más complejos y más automatizados, puede crear más oportunidades paraatacar el proceso. Estudios recientes sugieren que estas oportunidades plantean preocupaciones de seguridad sin precedentes, creando una categoría completamente nueva de debilidades potenciales que se ha denominado "amenazas de ciberbioseguridad".
"Los investigadores han identificado una variedad diversa de amenazas de ciberbioseguridad en los últimos años", dijo Krishnendu Chakrabarty, profesor distinguido John Cocke de Ingeniería Eléctrica e Informática en Duke. "Nuestro principal objetivo es formar parte de la comunidad que intentaaborde estas amenazas enfocándose en uno de los períodos de tiempo más vulnerables, que es incluso antes de que una muestra llegue al laboratorio ".
En su nuevo artículo, Chakrabarty, Ibrahim, Tung-Che Liang, un estudiante de doctorado actual en el laboratorio de Chakrabarty, Ramesh Karri, profesor de ingeniería eléctrica e informática en NYU Tandon, y Kristin Scott, profesora adjunta adjunta de genética molecular y microbiología enDuke, demuestre la utilidad de un código de barras genético para garantizar que las muestras tomadas en el campo no sean intercambiadas o manipuladas de otra manera en su camino al laboratorio.
Basándose en la experiencia en PCR genética de Scott y trabajando en su laboratorio, los investigadores primero agregaron dos tramos cortos de ADN sintético a las muestras genéticas destinadas a la toma de huellas digitales de ADN. Debido a que son sintéticas, se pueden hacer en casi cualquier combinación decuatro pares de bases de ADN disponibles imaginables, y con 280 y 190 pares de bases cada uno, las posibilidades de adivinar correctamente la combinación genética son muy pequeñas.
"Analizamos las condiciones que un adversario debe cumplir para socavar el sistema de códigos de barras", dijo Karri, cofundador y copresidente del Centro de Seguridad Cibernética de la NYU. "Estas condiciones están relacionadas con las características físicas deel código de barras molecular. Al vincular estas condiciones con la forma en que se generan los códigos de barras y la capacidad de expansión del espacio de búsqueda, mostramos que la probabilidad de que un adversario pueda descubrir el código de barras es insignificantemente baja ".
Mientras tanto, los cebadores necesarios para amplificar cada código de barras se envían de forma segura a los técnicos del laboratorio. Para que una máquina de PCR copie repetidamente un segmento específico de ADN, primero debe saber cómo comienza y termina esa secuencia. Los cebadores proporcionan esa información,y sin él, un atacante no tendría la posibilidad de amplificar los códigos de barras correctos.
Una vez que los técnicos finalizan una ejecución de PCR inicial con las muestras y los cebadores provistos, los dos códigos de barras aparecen como picos o líneas en los datos genéticos resultantes, dependiendo del método que se utilice para identificarlos. Para asegurarse de que las muestras sean auténticas y nomanipulados, los técnicos simplemente deben asegurarse de que estos dos códigos de barras aparezcan como se esperaba.
"Cuando se usan los cebadores correctos para desbloquear un código de barras, debería obtener un resultado positivo", dijo Ibrahim. "Si no lo hace, eso significa que la muestra no es genuina. Se ha producido algún tipo de cambio o alteración"
Si bien este sistema actualmente depende de que la información se transmita de forma segura al laboratorio, los investigadores dicen que hay formas en que los códigos de barras genéticos podrían simplificarse en la tecnología. Por ejemplo, los códigos de barras podrían correlacionarse de alguna manera con las muestras que se envían,y los técnicos podrían buscar los cebadores correctos para usar desde una base de datos. Con el hardware adecuado, la idea también podría traducirse en los chips que ejecutan el análisis de ADN.
"Este trabajo es un excelente ejemplo de múltiples disciplinas que se unen para desarrollar nuevas soluciones a los problemas existentes en el mundo real", dijo Scott.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Ken Kingery. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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