실리콘 너머: DNA가 차세대 컴퓨터에 동력을 공급한다.

연구자들은 더 작고 강력한 컴퓨터를 약속하는 DNA 컴퓨팅을 위한 새롭고 빠르며 다시 쓸 수 있는 방법을 개발했다.

이 방법은 생물체에서 순차적이고 동시적인 유전자 발현을 모방하고 논리 게이트가 있는 프로그래밍 가능한 DNA 회로를 통합한다. 개선된 프로세스는 DNA를 단단한 유리 표면에 놓아 효율성을 높이고 수동 전송의 필요성을 줄이며, 단일 튜브에서 90분의 반응 시간으로 마무리한다.

DNA 기반 컴퓨팅의 발전

DNA는 생명에 대한 지침을 담고 있으며, 머리카락 색깔과 같은 신체적 특성에서 질병 감수성에 이르기까지 모든 것을 안내한다. 방대한 양의 정보를 저장하고 복잡한 생물학적 과정을 수행하는 DNA의 능력은 과학자들이 DNA 기반 컴퓨터를 탐구하도록 영감을 주었다. 이 미래형 기기는 오늘날의 실리콘 기반 컴퓨터보다 더 빠르고 컴팩트할 수 있다. ACS Central Science에 발표된 새로운 연구에서 연구자들은 현대 디지털 컴퓨터와 매우 유사한 빠르고 다시 쓸 수 있는 새로운 DNA 컴퓨팅 방법을 공개했다.

"액체 컴퓨팅 패러다임으로서의 DNA 컴퓨팅은 고유한 적용 시나리오를 가지고 있으며 DNA에 저장된 디지털 파일의 방대한 데이터 저장 및 처리 가능성을 제공한다."라고 연구의 공동 저자 중 한 명인 페이 왕은 설명한다.

DNA 오리가미 레지스터

이 그림에서 보여지는 것처럼 유리 표면에 부착된 접힌 오리가미 같은 DNA는 빠르고 다시 쓸 수 있는 DNA 기반 계산을 위한 데이터를 저장한다. 출처: ACS Central Science 2024, DOI: 10.1021/acscentsci.4c01557에서 발췌

프로그래밍 가능한 DNA 장치 개발

생물에서 DNA 발현은 정확한 순서를 따른다. 유전자는 RNA로 전사되고, RNA는 단백질로 번역된다. 이 과정은 수많은 유전자에서 동시에 일어나고 지속적으로 반복된다. 과학자들이 DNA 기반 컴퓨터 내에서 이 복잡한 생물학적 과정을 복제할 수 있다면, 현재의 실리콘 기반 시스템보다 훨씬 더 강력한 기계를 만들 수 있다. 순차적 DNA 컴퓨팅은 특정하고 좁은 범위에 초점을 맞춘 작업에 대해 입증되었지만, 여러 애플리케이션에서 재사용할 수 있는 유연하고 프로그래밍 가능한 DNA 장치를 개발하는 것은 지금까지 어려운 과제로 남아 있었다.

DNA 회로 설계의 혁신

이전 연구에서 춘해판, 왕 및 동료들은 회로 작동에 대한 지침 역할을 하는 많은 논리 게이트가 있는 프로그래밍 가능한 DNA 통합 회로를 개발했다. 작동 방식은 다음과 같다:

●데이터 0 또는 1은 올리고뉴클레오타이드라고 하는 단일 가닥 DNA의 짧은 조각으로 표현되었으며, 여기에는 아데닌, 티민, 구아닌 및 시토신이라는 일련의 염기가 포함되었다. (자연에서 염기 시퀀스는 유전자를 코드화한다.)

●예를 들어, 1의 두 입력(DNA 가닥 1 및 2)은 OR 논리 게이트 DNA 분자와 상호 작용한다.

●그런 다음 유체로 채워진 튜브에서 입력 올리고뉴클레오타이드는 논리 게이트 DNA 분자와 상호 작용하여 출력 올리고뉴클레오타이드를 생성했다.

●출력 올리고뉴클레오타이드는 컴퓨터 용어로 레지스터라고 하는 종이 접기 구조로 접힌 다른 단일 가닥 DNA에 결합했다.

●올리고뉴클레오타이드는 염기 서열을 검토하여 "읽혀" 다음 게이트가 들어 있는 바이알에 방출되어 사용되는 식으로 진행된다.

DNA 컴퓨팅 효율성 향상

이 프로세스는 몇 시간이 걸렸고, 누군가가 다음 컴퓨팅 작업을 위해 올리고뉴클레오타이드를 한 게이트에서 다른 바이알로 수동으로 옮겨야 했다. 그래서 휴이 리브와 시시 지아와 함께 팀은 속도를 높이고 싶었다.

반응 프로세스를 보다 효율적이고 컴팩트하게 만들기 위해 팀은 먼저 DNA 오리가미 레지스터를 단단한 유리 2D 표면에 놓았다. 특정 논리 게이트에서 액체에 떠 있는 출력 올리고뉴클레오타이드는 유리에 장착된 레지스터에 부착되었다. 출력 올리고뉴클레오타이드를 읽고 논리 게이트 명령어를 결정한 후 분리하여 레지스터를 재설정하여 다시 쓸 수 있게 했고, 따라서 레지스터를 이동하거나 교체할 필요가 없었다. 연구원들은 또한 출력 신호를 증폭하여 게이트, 올리고뉴클레오타이드, 레지스터 등 모든 부분이 서로를 더 쉽게 찾을 수 있도록 증폭기를 설계했다. 개념 증명 실험에서 모든 DNA 컴퓨팅 반응은 90분 이내에 단일 튜브에서 이루어졌다.

미래 전망

“이 연구는 고속으로 대규모 DNA 컴퓨팅 회로를 개발하는 길을 열어주고 DNA 분자 알고리즘의 시각적 디버깅과 자동 실행을 위한 기반을 마련한다.”라고 왕은 말한다.