Sécurité des données stockées sur molécules d’ADN

Security of data stored into DNA molecules

• Auteur / Autrice : Chloé Berton
• Direction : Gouenou Coatrieux, Dominique Lavenier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Enseignement et de Recherche sur le Traitement de l'Information Médicale (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Rondelez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gouenou Coatrieux, Dominique Lavenier, Pascal Barbry, Maryline Laurent, Emmanuelle Génin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Barbry, Maryline Laurent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protection de l'information (informatique)

Chiffrement (informatique)

ADN

Stockage de données

Mots clés libres

Stockage de données dans l’ADN

Sécurité

Confidentialité

Encodage dynamique

Chiffrement biomoléculaire

Analyse de risques

Data storage into DNA molecules

Security

Confidentiality

Dynamic encoding

Biomolecular encryption

Risk analysis

Résumé

La quantité de données numériques produites dans le monde chaque année augmente exponentiellement et les supports actuels de stockage atteignent leurs limites. Dans ce contexte, le stockage de données sur molécules d'ADN est très prometteur. Stockant jusqu’à 10¹⁸ octets par gramme d'ADN pour une consommation d'énergie quasi nulle, il a une durée de vie 100 fois plus longue que les disques durs. Cette technologie de stockage étant en développement, il est opportun d’y intégrer nativement des mécanismes pour sécuriser les données. C’est l’objet de cette thèse. Notre première contribution est une analyse des risques de l’ensemble de la chaîne de stockage, qui nous a permis d’identifier des vulnérabilités des procédés numériques et biologiques, en termes de confidentialité, d’intégrité, de disponibilité et de traçabilité. Une seconde contribution est l’identification d’opérateurs élémentaires permettant des manipulations simples de l’ADN. Avec ceux-ci, nous avons développé notre troisième contribution, une solution de chiffrement DNACipher qui impose un déchiffrement biomoléculaire des molécules avant de pouvoir lire les données correctement. Cette solution, qui repose sur des enzymes, a nécessité le développement d’un codage des données numériques en séquences ADN appelée DSWE ; notre quatrième contribution. Cet algorithme respecte les contraintes liées aux procédés biologiques (e.g. homopolymères) et à notre DNACipher. Enfin, notre dernière contribution est une validation expérimentale de notre chaîne de stockage sécurisée. C’est la première preuve de concept montrant qu’il est possible de sécuriser ce nouveau support de stockage sur la base de manipulations biomoléculaires.

The volume of digital data produced worldwide every year is increasing exponentially, and current storage solutions are reaching their limits. In this context, data storage on DNA molecules holds great promise. Storing up to 10¹⁸ bytes per gram of DNA for almost no energy consumption, it has a lifespan 100 times longer than hard disks. As this storage technology is still under development, the opportunity presents itself to natively integrate data security mechanisms. This is the aim of this thesis. Our first contribution is a risk analysis of the entire storage chain, which has enabled us to identify vulnerabilities in digital and biological processes, particularly in terms of confidentiality, integrity, availability and traceability. A second contribution is the identification of elementary biological operators for simple manipulations of DNA. Using these operators, we have developed a DNACipher encryption solution that requires biomolecular decryption (DNADecipher) of the molecules before the data can be read correctly. This third contribution, based on enzymes, required the development of a coding algorithm for digital data into DNA sequences, a contribution called DSWE. This algorithm respects the constraints of biological processes (e.g. homopolymers) and our encryption solution. Our final contribution is an experimental validation of our secure storage chain. This is the first proof of concept showing that it is possible to secure this new storage medium using biomolecular manipulations.