39C3: Moleküller kriptografik işlevlere dönüştüğünde

yakın bildirim

Bu makale İngilizce olarak da mevcuttur. Teknik yardımla tercüme edildi ve yayınlanmadan önce editoryal olarak gözden geçirildi.

Bunu bir daha gösterme.

DNA genellikle yaşamın planı olarak kabul edilir. Bununla birlikte, 39. Kaos İletişim Kongresi'nde kimyager Anne Lüscher, molekülü sürekli olarak bu biyolojik bağlamdan çıkardı ve onu bilgi teknolojisi perspektifinden olduğu gibi gördü: son derece yoğun, istikrarlı ve şaşırtıcı derecede kolay kontrol edilen bir bilgi taşıyıcısı. “Kaos İletişim Kimyası: Moleküler rastgeleliğe dayalı DNA güvenlik sistemleri” dersinde sentetik DNA'nın neden veri depolama ve güvenlik mimarileri için uygun olduğunu ve RNA'nın neden pek rol oynamadığını gösterdi.

DNA neden bir bilgi taşıyıcısı olarak uygundur?

Lüscher, dijital açıdan bakıldığında DNA'nın okunmasının kolay olduğunu söylüyor: dört temel, net çiftleşme kuralları, sıralı depolama. “Tıpkı dijital bilgilerde olduğu gibi, DNA da verileri bir sırayla saklıyor ve esas olarak yapmamız gereken tek şey, iki taban ile dört taban arasında çeviri yapmak. Dijital veya ikili bilgi ile DNA arasında ileri geri çeviri yaparak, baz başına iki bit atayabiliyoruz.”

Ancak fiziksel özellikler daha önemlidir. Bir depolama ortamı olarak DNA, günümüzün depolama ortamlarını çok aşan süreler boyunca, uygun koşullar altında, muazzam bilgi yoğunluğunu uzun vadeli stabiliteyle birleştirir. Yaklaşık 700.000 yıllık bir at kemiğinin genomunun hala okunabiliyor olması biyolojik bir meraktan ziyade teknik bir tartışmadır. Bu koşullar laboratuvarda yapay olarak, örneğin küçük cam boncuklara kapsüllenerek oluşturulabilir.

Bilgisayar bilimlerinde giderek önem kazanan bir husus da var: paralellik. Moleküler sistemler sıralı olarak değil, büyük ölçüde paralel olarak çalışıyordu. “Çünkü küçücük bir su damlasını düşünürseniz, içinde çok fazla molekül vardır ve DNA söz konusu olduğunda, bu moleküllerin her biri potansiyel olarak kendi işlemcisi olabilir, kendi başına, eş zamanlı ve diğerlerinden bağımsız olarak hesaplamalar yapabilir. Bu da geleneksel hesaplamayla mümkün olmayan paralel işlemler için olasılıkların kapısını açar.”

RNA sorusu, özellikle tıptaki önemli rolü nedeniyle akla geliyor. Soru-cevap bölümünde Lüscher, neden buna karşı açık teknik nedenlerin bulunduğunu açıkladı: RNA tek sarmallıdır ve kimyasal olarak kararsızdır. Ek bir hidroksil grubu onları özellikle hidrolize duyarlı hale getirir. Bu, verilerin uzun süre saklanması gereken uygulamalar için uygun değildir. Öte yandan DNA çift sarmallıdır, sağlamdır ve onlarca yıldır büyüyen bir araç ekosistemi ile birlikte gelir: sentez, PCR, sıralama ve hedefe yönelik manipülasyon yerleşiktir ve güvenilir bir şekilde kullanılabilir. Proteinler gibi diğer biyomoleküller için bu doğrudan araçlar büyük ölçüde eksiktir; bir protein, başka bir proteinden doğrudan kopyalanamaz.

Lüscher, Microsoft ve Seagate gibi büyük oyuncuların artık DNA veri depolaması için kendi ekiplerini kurduklarını bildirdi. Rastgele erişim, hata düzeltme ve epigenetik yöntemler kullanılarak optimize edilmiş kodlama konularında ilerleme kaydedilmiştir. Bununla birlikte, şimdiye kadar uygulanan projelerin çoğu, Massive Attack grubundan müziklerin DNA'da saklanması ve daha sonra bir albüm kapağı için sprey boyaya karıştırılması gibi sanat ve halkla ilişkiler alanındaydı.

Kriptografik bir kaynak olarak rastgelelik

Lüscher, DNA'nın özellikle rastlantısallığın devreye girdiği yerde ilginç hale geldiğini açıkladı. “Tek bir reaksiyonda, dört bazı birleştirerek, tek bir reaksiyon ortamında çok büyük miktarda rastgelelik üretebiliriz. Burada bazı rakamları görüyorsunuz. 100 Euro'nun altında bir maliyetle yüzlerce petabaytlık rastgelelik üretebiliriz.” Bu rastgeleliğin ne algoritmik olarak ne de yenilenmiş sentez yoluyla yeniden inşa edilmesi neredeyse imkansızdır. Bunun üzerine, kimyasal klonlanamayan işlevler (CUF'ler) adı verilen işlevler gerçekleştirilebilir: Tamamen bilinmeyen veya kopyalanamayan, ancak özel olarak “sorgulanabilen” rastgele DNA havuzları.

Lüscher, prensibin tanımlanmış primerlerle PCR yoluyla çalıştığını söylüyor. Bu primerler havuzda eşleşen dizileri aradılar, oraya bağlandılar ve aradaki bölümü kopyaladılar. Sonuç, havuz ve primer çifti kombinasyonuna özeldir; tekrarlanabilir, ancak öngörülebilir veya geri döndürülemez. Fiziksel klonlanamayan işlevlere (PUF'ler) benzer şekilde, bu, kriptografik karma işlevi gibi davranan ancak matematik yerine kimyaya dayanan bir sistem oluşturur.

Lüscher, klasik PUF'ların aksine bu sistemlerin tek bir fiziksel nesneye bağlı olmadığını vurguladı. Rastgele havuzların tam bileşimlerini bilmeden özdeş kopyalarını üretmek için kimyasal işlemler kullanılabilir. Bu kopyalar daha sonra yeniden üretilemeyecek şekilde “kilitlenebilir”. Bu, olası sorgu sayısının önceden tanımlandığı ve birden fazla kullanıcının, örneğin karşılıklı kimlik doğrulama veya paylaşılan anahtar üretimi gibi merkezi olmayan uygulamalar için aynı havuzu kullanabileceği anlamına gelir.

Uygulamalar: Sanat eserinden ilaca

Lüscher, DNA'nın malzemelere de entegre edilebileceğini açıkladı. Boyalara, plastiklere veya 3D baskı filamentlerine gömülerek, son derece uzun raf ömrüne sahip nesneye bağlı meta verilere olanak tanır. Örneğin bir araştırma projesi, bir STL baskı dosyasını DNA'ya kaydetti, onu baskı filamentine entegre etti ve plastik bir tavşan yapmak için kullandı. Kulağın küçük bir parçasından DNA çıkarıldı ve tavşan yeniden basıldı. “Ayrıca bazı pratik uygulamaları da var. Çünkü binalar veya kamu altyapısı gibi çok uzun ömürlü nesneleri düşündüğünüzde, bu nesnelerle ilgili verileri ve meta verileri uzun bir süre boyunca korumak gerçekten zor olabilir. Ve bu şekilde, bu bilgiyi doğrudan yapı malzemelerine entegre ederek bunu çözebiliriz.”

CUF'lere yönelik spesifik uygulamalar, sanat eserlerinin doğrulanmasından ilaçların sahteciliğe karşı korunmasına kadar uzanıyordu. Küçük bir malzeme çipi, benzersiz bir kimyasal imzayı okumak ve onu bir referansla karşılaştırmak için yeterlidir. Havuzlar ne tam olarak sıralanabilir ne de sentetik olarak tekrarlanabilir olduğundan, bir saldırı son derece karmaşık olacaktır: kimyasal modifikasyon olağan sıralama hazırlığını engeller ve sıralama başarılı olsa bile tüm dizilerin hedeflenen yeni sentezi milyarlara mal olur.

Potansiyele rağmen Lüscher'in görüşü gerçekçi kaldı. “Fakat bu operasyonlar için, yani tur başına tek bir meydan okuma-cevap, şu anda birkaç saat sürüyor ve ardından sonuçları sıralamamız gerekiyor, bu da yine birkaç saat sürüyor. Yani bir ilacın kimliğini doğrulamak istiyorsanız, temelde bir gün beklemeniz gerekir. Şu andaki durum bu.”

Anne Lüscher'e göre asıl değer perspektifte yatıyor: kimyayı bir bilgi bilimi olarak düşünmek ve fiziksel sistemlere dijital gözle bakmak. DNA, silikonun yerine geçecek bir ürün olarak değil, dayanıklılığın, yoğunluğun, rastgeleliğin ve fiziksel klonlanamazlığın çok önemli olduğu bir takviye olarak sunuluyor. Alanın farklı disiplinlerden uzmanlığa ihtiyacı var: Laboratuvar deneyimi olan kişilerin yanı sıra bu zorluklarla mücadele etmeye hazır hacker zihniyetine sahip kişiler.

(vza)