No sucederá en un futuro previsible

Déjame mostrarte este XKCD primero:

[Sombrero Blanco, sosteniendo una computadora portátil, está hablando con Megan, quien mira su teléfono inteligente.]

White Hat: La biología está en gran parte resuelta. El ADN es el código fuente de nuestros cuerpos. Ahora que la secuenciación de genes es fácil, solo tenemos que leerlo.

Megan: No es solo "código fuente". Hay un montón de comentarios y procesamiento externo.

[Sombrero Blanco, abriendo su computadora portátil, camina hacia un escritorio y una silla pasando a Megan, quien le extiende los brazos.]

Megan: Pero incluso si lo fuera, el ADN es el resultado del proceso de optimización más agresivo del universo, funcionando en paralelo en todos los niveles, en todos los seres vivos, durante cuatro mil millones de años.

White Hat: Todavía es solo código.

[White Hat se sienta en el escritorio con su computadora portátil abierta, mientras Megan mira por encima del hombro.]

Megan: Bien, intente abrir google.com y haga clic en "Ver código fuente".

Sombrero Blanco: Bien, yo-... Dios mío.

Megan: Son solo algunos años de optimización por parte de los desarrolladores de Google. El ADN es miles de veces más largo y mucho, mucho peor.

White Hat: Wow, la biología es imposible .

¿Qué significa esto, específicamente a su pregunta?

1. El ADN que codifica la proteína tiene que estar en un orden específico. No hay dos formas de codificar una proteína, en realidad no.

2. El ADN ya es tan complicado, interconectado, ilógico, sus resultados dependen de los efectos de otras partes del ADN, etcétera (consulte el artículo ADN no codificante si está interesado), que todas las complicaciones que pueda agregar a propósito serán muy, muy insignificante en comparación con lo que la naturaleza ya hizo. Por lo tanto, si alguien puede descifrar lo que hizo la naturaleza, su capa adicional de ofuscación realmente no cambiaría nada.

   2a. Incluso para los virus, si alguien quiere modificarlos y usarlos en humanos de manera efectiva, debe poder decodificar y comprender el genoma humano, el virus sería fácil para alguien con tales capacidades, con el espacio muy, muy limitado que tiene dentro de un virus.

Quimera.

https://www.boredpanda.com/chimera-cat-split-face-diferentes-ojos-gataquimera/

La quimera puede ser lo que se conoce como quimera genética, un fenómeno natural raro en el que un individuo está formado por células de al menos dos óvulos originales diferentes. Se fusionan para convertirse en un solo organismo, cuyo ADN proviene de dos individuos completamente diferentes.

Un organismo normal surge de una sola célula. Salvo mutación somática, cada célula de la criatura porta el mismo código genético. Su competidor puede deslizar un cabello y decodificar el genoma a partir de él.

Las quimeras como este gato pueden ocurrir naturalmente. Dos huevos se fusionan desde el principio y la criatura resultante es una mezcla equilibrada de 2 genomas. El genoma decodificado de un cabello podría no ser el mismo que el decodificado de otro.

Das un paso más allá. Tus criaturas personalizadas son todas quimeras, no de dos, sino de muchos, muchos "huevos" de ingeniería diferentes. La mayoría de estas líneas celulares tienen genomas que son deliberadamente defectuosos y una criatura que surja solo de uno de estos genomas defectuosos sería anormal o no viable. Pero juntos en su quimera, los genes mutantes de algunas células son compensados ​​por la fuerza (o simplemente la normalidad) de las células adyacentes. La combinación de células utilizadas para construir su quimera no es aleatoria; por ejemplo, una podría tener una alta población de un tipo mutante dado en el hígado, donde su producto de proteína en exceso puede rescatar el resto del organismo que es deficiente en ese producto. No lo sabrías si secuenciaras el genoma de un cabello robado.

Su competidor necesitaría secuenciar muchas, muchas células de todo el organismo, deducir qué partes son malas (¿o son malas?) y qué partes son buenas, y esperar recrear los muchos linajes utilizados y combinarlos en la proporción correcta para replicar. la criatura.

La ingeniería genética de animales es cosa vieja: puedes comprar peces brillantes diseñados en Petsmart. Pero crear una quimera a partir de líneas de ingeniería es llevar la creación de criaturas a un nivel de ciencia ficción completamente nuevo.

No necesita cifrar la secuencia de ADN para que otras personas no puedan usarla.

Una molécula de ADN no tiene un significado intrínseco, lo que significa que, si bien es posible que pueda discernir patrones, nunca obtendrá toda la información de un organismo simplemente observando su ADN.

Permítanme explicar esto con una analogía con el lenguaje. Si te diera un libro en un idioma que no lees, serías incapaz de entenderlo. Sabes que es un libro y sabes que tiene un significado, pero no puedes aplicarle ingeniería inversa sin probar las cosas. Por ejemplo, tomar una oración y repetirla a alguien que habla ese idioma, o reorganizar las palabras y probar si tienen el efecto deseado cuando se las dice a alguien que las entiende.

Un código, en este caso el código genético, requiere un sistema de decodificación para contener información significativa. En biología, el decodificador está constituido por muchas otras partes de la célula, incluida, entre otras, la maquinaria de transcripción que transcribe el ADN en ARN, la maquinaria de traducción que traduce el ARN en proteínas, la maquinaria epigenética que controla qué regiones deben transcribirse. , vías de señalización celular que modulan los sistemas anteriores en función de factores externos e internos, etc.

Así que todo vuelve al óvulo. No es solo una molécula de ADN por sí sola. Es una molécula de ADN en un contexto celular muy específico, y en el caso de los metazoos también es una célula en un contexto de órgano muy específico. Un óvulo humano no puede desarrollarse en su vejiga. Tiene ciertos requisitos que (típicamente) cumple el útero.

Si sus criaturas tienen reproducción sexual, puede diseñar una cepa reproductora de la criatura que dé a luz a una progenie estéril. Para evitar la posibilidad de fertilización in vitro, puede diseñarlas para que den a luz a una descendencia que carezca del equivalente de un útero, o puede realizar sistemáticamente histerectomías antes de venderlas.

Si realmente desea que sea increíblemente opaco, debe modificar la forma en que funcionan las diversas maquinarias que mencioné anteriormente:

• Cambie los codones de inicio y finalización modificando la maquinaria transcripcional para reconocer diferentes patrones. También deberá modificar la secuencia del sitio de inicio de la transcripción.

• Codifique el código genético haciendo que los distintos ARNt se correspondan con diferentes aminoácidos, lo que obligará a los posibles ladrones a realizar experimentos para descubrir a qué corresponde su versión patentada del código genético.

• Si está utilizando factores de transcripción preexistentes, realice experimentos de mutagénesis dirigida para que reconozcan diferentes motivos de secuencia.

En cuanto a hacer que el ADN sea difícil de leer e interpretar, aquí hay algunas ideas:

• Debe incluir muchos tramos muy largos de regiones repetidas en su ADN, así como transposones. Esto hace que sea mucho más difícil ensamblar el genoma completo de un organismo. Estamos empezando a ser capaces de abordar ese problema con la tercera generación de métodos de secuenciación que genera lecturas largas que pueden resolver estas secuencias repetitivas.

• Agregue muchos pseudogenes para confundir la interpretación, estas son secuencias de ADN que parecen genes y son reconocidas por herramientas automatizadas pero no son funcionales como tales.

• Revuelva sistemáticamente los genomas, en algunos organismos unicelulares se ha demostrado que puede cortar y ligar al azar grandes extensiones del genoma sin efectos importantes en la aptitud. Si no le importa que cada criatura sea excepcionalmente estéril, podría ser posible comenzar con un óvulo recién reorganizado sin demasiadas consecuencias negativas para la salud de la criatura. Probablemente desee mantener juntos bloques sintéticos específicos, pero si define las regiones aceptables para cortar, entonces debería estar bien.

En última instancia, desea hacer que la celda sea lo suficientemente diferente para asegurarse de que, para robar su criatura, uno tenga que estudiarla durante tanto tiempo que sea más fácil diseñar su propia criatura original. No olvides asegurarte de que las criaturas liberadas al público no puedan reproducirse.

Este ya es un problema resuelto, pero la solución no es el cifrado.

La solución actual es tener ADN incompleto. En particular, el ADN pierde el código de una proteína esencial en el desarrollo. Eso no es problema para ti: sabes qué proteína falta, así que la agregas a la dieta de las criaturas juveniles. Una vez que salen de su laboratorio, no queda rastro de esta misteriosa proteína o del ADN que la codifica.

Usamos esta técnica hoy para liberar organismos modificados genéticamente en la naturaleza. Como no pueden reproducirse, también se evita la dispersión no intencionada de los genes modificados.

Para agregar a lo que dijo Mołot: en realidad no es solo código.

El ARN es leído y decodificado por los ribosomas:

El ribosoma (/ˈraɪbəˌsoʊm, -boʊ-/]) es una máquina molecular compleja, que se encuentra dentro de todas las células vivas, que sirve como sitio de síntesis biológica de proteínas (traducción). Los ribosomas unen los aminoácidos en el orden especificado por las moléculas de ARN mensajero (ARNm).

Saben cómo leer el ARN solo de una manera muy específica. Cada tres bases que entran se traducen en un aminoácido específico que se vincula en la proteína de salida. Si simplemente "cifras" una secuencia de ARN, los ribosomas la leerán sin descifrarla. La proteína de salida será completamente diferente de la original.

Además de eso, no todos los tríos de bases codifican un aminoácido. También hay un código para el "fin de la proteína". El ADN encriptado los tendría en lugares muy diferentes como mínimo.

Su ADN encriptado no sería diferente del ADN "basura", que no codifica nada significativo. El ADN humano ya está lleno de eso.

Combina cualquiera de los siguientes:

1. Utilice sus propios aminoácidos patentados. Punto de bonificación: todos tienen que comprar su comida para sus criaturas y los virus solo pueden crecer en sus tanques, solo observe quién los compra. Será más difícil leer el sentido en su código genético, al menos su oponente no puede simplemente usar herramientas normales de análisis de código de ADN sin pensar por sí mismo.

2. Para hacerlo aún más difícil: invente su propio sistema biológico. Es posible que aún desee usar cosas como "proteínas" y moléculas distintas para transferir el código genético (algo como ARN, ADN, etc.), pero cambie los aminoácidos, las nucleobases y tantas otras cosas como desee. Problemas aquí: no es fácil y puede que no sea comestible y, siempre que la criatura pueda reproducirse y "vivir", todos los que tengan suficiente dinero y tiempo pueden analizarlo.

3. Killersolution: No regales los sistemas reproductivos. Ponga la información reproductiva relevante (con algunas especialidades patentadas) en un cromosoma especial, etc. en un solo género y nunca venda criaturas con él (y no permita que los espías los roben).

Tengo una respuesta muy... informática para eso. Hace una década hubo un concurso de programación que básicamente imitaba la cadena ADN-ARN-proteína. No debe producir la imagen de origen, sino la imagen de destino, las operaciones de pintura fueron básicamente las instrucciones de ARN, construyendo la proteína. Se esperaba que los concursantes se entrometieran con el "ADN".

Para hacerlo más difícil y menos sencillo, la codificación del programa de "ADN" real utilizada en la tarea realizó alrededor de 20000 operaciones de copia y creación de subconjuntos en la parte más o menos completa del "texto" de ADN antes de realizar su trabajo real. Las personas que no fueron muy diligentes con los detalles de implementación tuvieron mucha menos suerte al ejecutar rápidamente este código.

Aquí están los detalles sangrientos .

El gran problema aquí es que el organismo tiene que ser capaz de decodificar su propio ADN. Por lo tanto, el "mecanismo de descifrado" tiene que estar integrado en el organismo.

Puede hacerlo más oscuro ocultando las partes importantes en un montón de ADN basura. Puede hacer que la decodificación y la codificación sean más difíciles utilizando cosas como pares de bases no estándar y aminoácidos no estándar. Entonces, el competidor no puede simplemente usar productos listos para usar para hacer su clonación, tiene que desarrollar la misma infraestructura desde cero que su empresa usa para diseñarlos.

Pero, en última instancia, no se puede ocultar el código genético de un oponente bien financiado, porque el competidor puede realizar ingeniería inversa de lo que hace el organismo para leer su propio ADN.

Cada célula de tu cuerpo ya hace esto, es posible que no te hayas dado cuenta. No te diste cuenta porque no te creció una extremidad o un globo ocular adicional, lo que podría suceder si no fuera por esto.

Usted pide encriptación. Ahora, una cosa que puedes hacer con el ADN es cifrarlo, que es a lo que apuntaba la respuesta de Mołot . Esto no es tanto encriptación como simplemente oscurecer los datos. Todo lo que necesita para decodificar los datos está presente, puede ser difícil.

Si desea encriptación, entonces lo que desea es una "clave" de modo que cualquiera que conozca esta "clave" pueda decodificar los datos correctamente. Alguien que no tiene esta "clave" no puede.

Así que digo que cada célula de nuestro cuerpo hace esto, porque son diferentes. Cada célula de la piel ha "olvidado" cómo convertirse en una célula hepática. Cada célula nerviosa ha "olvidado" cómo ser un páncreas. Si alguno de ellos supiera la clave mágica que los devolvería a ser una "célula madre", entonces podrían cambiar su papel en el cuerpo. Pero sin esa clave, permanecen diferenciados.

Ahora bien, esto puede ser simplemente cifrar. Hemos hecho grandes avances en la construcción de claves que enseñan a las células cómo convertirse en células madre. Así que parece que las llaves pueden haber estado allí todo el tiempo, pero también es posible que simplemente no funcione de esa manera y que las llaves se pierdan de forma permanente.

Hay algunos ejemplos sólidos de capacidades perdidas permanentemente. Los glóbulos rojos arrojan su núcleo antes de pasar al torrente sanguíneo, por lo que realmente carecen del conocimiento para poder reproducirse.

Entonces, para cifrar realmente los datos, necesita algo que funcione como una "clave" que pueda introducir durante la construcción y eliminar después. Lo que probablemente desee es una estructura de proteína que pueda decodificar las hebras de ARN antes de que se usen para ensamblar las proteínas. En su cadena "pura" que conoce la clave, esta estructura de proteína está codificada en el ADN y se construye a medida que la criatura crece.

En algún momento introduces un virus con una señal de "matar". Esta señal desencadena un mecanismo en esa estructura que tiene un efecto similar a CRISPR que elimina la "clave" de ADN que puede producir esa estructura.

Las proteínas no duran para siempre. Entonces, después de un corto tiempo, todas las copias de esta proteína decodificadora desaparecen, y debido a que se eliminó el código para generarlas, no se crearán nuevas proteínas. Ahora tu criatura ya no tiene acceso a esas hebras de ADN cifradas.

Probablemente mantendría un ganado reproductor que nunca ha estado expuesto al virus, por lo que siguen produciendo nuevos niños con esta capacidad. Sin embargo, recomiendo guardar la secuencia en algún lugar seguro, de modo que si un virus llega a su ganado reproductor, no haya perdido sus llaves.

Siento que algunas de estas respuestas no cubren del todo el espectro de plausibilidad. Estoy de acuerdo en que actualmente es inviable cifrar el ADN solo porque los métodos que tenemos para leer y escribir el ADN también requieren que trabajemos en un marco de vida existente. Debido a esto, la respuesta de @ Thymine no es sensata, ya que necesitaría reescribir la totalidad de cómo funciona realmente el ADN (o, más básicamente, cómo funcionan las proteínas) para convertirlo en un "lenguaje ilegible".

Sin embargo, el ADN se puede expandir. Hay varios laboratorios que han creado nuevas "letras" de ADN. El equipo de Floyd Romesberg agregó dos nuevas "letras" y creó proteínas completamente nuevas. Pero todavía se leen y escriben utilizando una versión ampliada del marco conocido existente. La expansión de los codones disponibles, la creación de nuevos ARNm y ARNt ciertamente haría que las cosas fueran "ilegibles" por un corto tiempo, pero me imagino que necesitaría un enfoque novedoso para el ARNm y el ARNt y cómo funcionan en los nuevos codones, y los nuevos codones necesita realizar las funciones importantes, si desea que permanezca ilegible sin una investigación significativa.

Este episodio del podcast After On podría ayudarlo a comprender algunos de los conceptos básicos de este enfoque: https://after-on.com/episodes-31-60/031

Editar: para un breve artículo sobre el trabajo del equipo de Romesberg: https://www.smithsonianmag.com/smart-news/researchers-add-two-new-synthetic-letters-dnas-alphabet-180967402/

El ADN ya está encriptado. Solo tienes que cambiar la clave.

El dogma central de la biología molecular es que una molécula de ADN codifica una molécula de ARN que a su vez codifica una secuencia de aminoácidos que se pliega en una proteína. ADN a ARN a proteína. Ahora, la codificación de ADN a ARN es 1 a 1 y sencilla, cada base de ADN corresponde a su contraparte de ARN (con la excepción del uracilo, pero si comenzamos a hablar de cada excepción en biología, nunca llegaremos a ninguna parte). Sin embargo, el código de ARN a proteína es completamente arbitrario. Hay 4 bases de ARN ACGU pero 21 aminoácidos formadores de proteínas. Entonces, la vida usa una secuencia de 3 bases de ARN para codificar cada aminoácido. Estos se denominan codones y están codificados por pequeñas moléculas de ARN denominadas ARN de transferencia o ARNt.

Este código es completamente arbitrario. No hay razón para que CGA debacódigo de arginina. Simplemente lo hace. Para cambiar este código, todo lo que necesita hacer es reemplazar el ARNt responsable de emparejar la Arginina con CGA con el suyo propio que empareja CGA con un aminoácido diferente. Si reemplaza cada tRNA con su propia versión, efectivamente ha "cifrado" el genoma. Has cambiado por completo el significado de cada base de ADN en el genoma. Alguien que se limite a secuenciar el ADN de su organismo no podrá encontrarle ningún sentido. Sin saber cuál es el codón de inicio o los codones de terminación, ni siquiera puede distinguir efectivamente los genes reales del resto del genoma. No podrán agregar ningún gen funcional a su organismo hasta que descifren el nuevo código. Es importante destacar que actualmente es mucho más difícil trabajar con ARN y proteínas que con ADN, por lo que "descifrar" el nuevo código de ARNt no es trivial. Incluso puede tomar medidas adicionales para hacer esto más difícil. Ocultar sus ARNt en secuencias repetitivas que dificultan su secuenciación e incluir muchas secuencias de "pista falsa" que parecen ARNt pero que no funcionan del todo por varias razones, o incluso realizar cambios más fundamentales en el proceso de metabolismo del ARNt para que pueda No predecir el aminoácido que llevaría un ARNt determinado en función de su secuencia de ADN.

EDITAR: Para abordar la preocupación de que este "cifrado" sea demasiado fácil de descifrar. El cifrado de ARN de transferencia no será vulnerable al análisis de frecuencia por varias razones:

1. El genoma es grande mientras que la porción “cifrada” es bastante pequeña. Solo alrededor del 1% del genoma se traducirá alguna vez en proteína. Sin conocer el código de ARNt, un atacante no tiene forma segura de identificar dónde está esta parte. Las regiones del ADN no son simplemente genes etiquetados. Esto significa que un análisis de frecuencia se verá inundado por el resto del genoma que no sigue la misma distribución de frecuencia.
2. Describir el cifrado como monoalfabético no es exactamente correcto. Porque hay 64 codones de 3 bases diferentes posibles, pero solo 21 aminoácidos que deben codificarse. Por lo tanto, hay necesariamente muchas formas alternativas de codificar cada aminoácido . Esto es algo análogo a la sustitución homofónica y hará que el análisis de frecuencia sea aún más difícil.
3. Otra dificultad que enfrentará el atacante es que cada base se puede interpretar en 3 “marcos” diferentes. Sin conocer el codón de inicio, no conoce el marco de la secuencia, por lo que para cualquier secuencia dada hay 3 posibles interpretaciones de la secuencia que son todas igualmente válidas sin conocer el código de ARNt.
4. Una última complicación es la existencia de empalmes de ARN . Los genes eucarióticos contienen secuencias conocidas como intrones que son interjecciones de longitud variable en la secuencia de ADN del gen que se eliminará del ARN después de que se produzca. Esto significa que un gen no es un único bloque contiguo de mensaje, puede estar intercalado por docenas de secuencias no codificantes de longitud variable. Además, estos intrones no tienen que tener una longitud múltiplo de 3, por lo que es probable que el marco cambie después de cada intrón.
5. El tamaño del genoma permite al creador incluir potencialmente múltiples conjuntos de genes completamente funcionales en el genoma que, desde cualquier apariencia criptográfica, son indistinguibles del artículo genuino, pero para el organismo, por supuesto, son un galimatías. Entonces, incluso si permitimos, dado todo lo anterior, que un atacante pueda identificar posibles códigos de ARNt, todavía no hay forma de que sepa cuál de las 20 copias de cada gen es realmente el conjunto funcional sin más experimentación.

Con respecto a los ataques de texto sin formato conocido, se trata simplemente de cambiar y ofuscar el genoma hasta el punto de que ya no sea reconocible.

Ahora, no estoy tratando de argumentar que este cifrado es inmune al descifrado, pero ciertamente no es trivial. En mi opinión, los medios más fáciles de descifrado probablemente serán los experimentos biológicos. Potencialmente, secuenciar el ARN y analizarlo, ya que en su mayoría contendrá secuencias exónicas, hará que el descifrado sea un poco más manejable, aunque puede combatir esto produciendo muchos ARN sin sentido que también se sientan sin siquiera ser traducidos. Otra metodología sería introducir varias secuencias conocidas en el organismo y luego buscar productos proteicos que pudieran corresponder a la secuencia introducida, pero esto sería tedioso y nuevamente existen varias contramedidas que podrían emplearse.

Cifrado homomórfico

El cifrado homomórfico le permite realizar operaciones arbitrarias en datos cifrados. No necesita descifrarlo, solo necesita un esquema de cifrado que lo permita.

Hay compiladores homomórficos que pueden compilar un código fuente que ya está encriptado para evitar la ingeniería inversa.

Puede tomar el mismo enfoque, encriptar su ADN, desarrollar un ribosoma que pueda crear proteínas a partir del ADN encriptado y listo. Nadie puede leer tu ADN y modificarlo.

Lo único es que el cifrado homomórfico todavía se está explorando y no hay aplicaciones del mundo real que lo usen regularmente. También ralentiza las operaciones por un margen enorme. Todavía es un proceso en desarrollo.

Podría haber una manera.

En primer lugar, querrá agregar muchas más proteínas al ADN para contaminarlo, pero no debe mezclarlas con la secuencia que necesita su organismo. Los genes que no están activos se llaman genes recesivos. Puede tener una lista mucho más grande de genes recesivos, que sería imposible detectar el dominante. Poner genes de extremidades humanas a un caracol como genes recesivos será un buen paso en esa dirección.

Esos genes recesivos, impedirán cualquier desarrollo posterior o copia del organismo. Imagínese esto como "sal" agregada al ADN, que resultará en una enfermedad mortal instantánea si se modifica. Todavía es necesario dividir el ADN para que el organismo crezca, pero los genes recesivos no se mezclarán con los dominantes. Tal vez también deberías tener una lista enorme de enfermedades mortales que pondrás al azar en tu organismo.

La clonación sería posible aunque.