900 제곱근 연산 가능한 ‘DNA 컴퓨터’ 등장

- 로체스터대학 연구팀, 32가닥 DNA를 기반으로 900 제곱근 계산하는 DNA 컴퓨팅을 개발

▲출처: Pixabay
최근 미국 로체스터대학(University of Rochester) 연구팀이 32가닥의 DNA를 기반으로 900의 제곱근을 계산할 수 있는 DNA 컴퓨팅을 개발했다.

DNA 컴퓨팅 4종류의 염기로 구성된 디옥시리보 핵산(DNA)을 이용해 시험관에서 연산을 수행하는 컴퓨팅으로 기존 컴퓨터와는 전혀 다른 방식이다. 

DNA 컴퓨팅은 DNA를 구성하는 염기인 아데닌(A)과 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C) 등 4개의 염기 서열을 신호로, 염기끼리 달라붙는 결합 반응을 이용해 연산한다. 1g 안에 1,021개의 염기가 들어 있어 저장 능력과 연산 능력이 사람의 뇌처럼 여러 문제를 한꺼번에 처리하는 ‘병렬연산’을 한다. 특히 최근 떠오르고 있는 양자컴퓨터에 비해서도 기술 구현이 쉽다.

DNA 컴퓨터를 처음으로 고안한 사람은 1993년 미국 MIT 대학의 레오나르도 에이드먼 교수다. 에이드먼 교수는 ‘유전자의 분자 생물학’을 읽고 컴퓨터와 DNA의 유사성을 발견, 1994년에 ‘조합 문제의 분자 계산에 의한 해법(Molecular computation of solutions to combinatorial problems)’이라는 논문을 발표했다. 

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이후 1997년 미국 로체스터 대학교 연구팀은 DNA로 구성된 논리 회로를 만들었다. 또 미국 위스콘신 대학교 화학과 스미스 교수는 2000년 DNA 가닥들이 특수한 방법으로만 서로 결합한다는 점을 이용해 DNA 컴퓨터를 만들었다. 

이스라엘 와이즈만 연구소의 샤피로 박사도 2001년 초보적인 수준의 DNA 컴퓨터를 개발했다. 2004년 4월 샤피로 박사는 이 DNA 컴퓨터에 전립선암과 폐암을 진단하고 치료하는 데 필요한 생물정보 분석 프로그램을 입력시켰으며 시험관 실험에서 성공적인 결과가 나왔다고 밝혔다.

하지만, 지금까지 DNA 컴퓨팅 개발이 진행되어 왔지만, 복잡한 수학 연산 수행이 어려웠다. 예를 들어 제곱근의 계산에는 4비트의 2진수를 처리할 수 있는 10비트의 논리 회로가 필요하지만, 기존 DNA 컴퓨팅 시스템은 거기까지의 처리 능력이 안된다.

그런 가운데, 로체스터대학 천레이 구오(Chunlei Guo) 교수 연구팀은 32개의 DNA 가닥을 사용해 정보 저장과 처리를 수행할 수 있는 DNA 컴퓨팅을 개발했다. 컴퓨터는 DNA 서열을 설계하고 DNA 가닥 치환 반응을 프로그래밍해(10진수 정수 900 이내) 10비트 이진수의 제곱근을 계산할 수 있었다. 

연구 결과는  와일리(Wiley)의 출판 전문 플랫폼인 와일리 온라인 라이브러리(Wiley Online Library)에 논문명 ‘대규모 제곱근 논리 바이오 컴퓨팅을위한 프로그래밍 가능 DNA 나노 인디케이터 기반 플랫폼(Programmable DNA Nanoindicator‐Based Platform for Large‐Scale Square Root Logic Biocomputing)으로 2019년 10월 29일 게재됐다.

▲DNA에서 1에서 900개까지의 숫자를 인코딩해 각 숫자에 특정 형광 마커의 색상을 부착시켰다. 그런 다음 마커를 수정하고 제곱근에 해당하는 마커로 대체하는 방식으로 하이브리드화해 프로세스를 제어했다. 따라서 결과는 색상으로 출력되는 구조로 되어 있다. [출처: Wiley 온라인 라이브러리]

연구팀이 고안한 DNA 컴퓨터는 먼저 DNA에서 1에서 900개까지의 숫자를 인코딩해 각 숫자에 특정 형광 마커의 색상을 부착시켰다. 그런 다음 마커를 수정하고 제곱근에 해당하는 마커로 대체하는 방식으로 하이브리드화해 프로세스를 제어했다. 따라서 결과는 색상으로 출력되는 구조로 되어 있다. 

최근 들어 무어의 법칙이 무너지고 있는 가운데 DNA 컴퓨터의 개발은 아직 초기 단계에 있지만, 현재 실리콘 기반 컴퓨터에서 처리할 수 없는 문제 해결에 크나큰 잠재력을 가지고 있어 기대가 된다.

김들풀 기자 itnews@