DNA와 IT기술의 융합, DNA 컴퓨터의 탄생

1953년 왓슨과 크릭은 유전자의 본체인 DNA의 이중나선 구조를 밝혀냈다. DNA 이중나선 구조의 발견으로 전통 생물학은 분자생물학으로 급격하게 재편됐고, 오늘날에는 물리학과 화학, 공학과 융합되면서 가장 촉망받는 21세기 학문분야 중 하나로 굳건히 자리매김하게 됐다. 그리고 이제는 DNA가 새로운 컴퓨터의 세계를 열만큼 공학의 발전에도 많은 영향을 미치고 있다. 그렇다면 왜 DNA와 IT 기술 융합이 시도되는 것일까?

1946년 에니악(ENIAC)이 탄생했다. 세계 최초의 전자식 컴퓨터였지만 무게가 30톤에 성능은 오늘날 싸구려 계산기보다 떨어졌다. 공교롭게도 분자생물학과 비슷한 시기에 등장한 실리콘 컴퓨터는 지난 60여 년 동안 엄청난 발전을 거듭하며 체스나 그림처럼 인간 고유의 영역이라고 간주됐던 분야까지 잠식해 들어 왔다.

컴퓨터의 발전 속도는 반도체 메모리의 집적도가 증가한데 힘입음 바가 크다. 그러나 실리콘 컴퓨터의 미래가 그리 밝은 것만은 아니다. 반도체의 집적도를 높이는 것이 날이 갈수록 어려워져 곧 그 한계에 도달할 것이라는 전망이 나오고 있기 때문이다. 그래서 과학자들은 새로운 개념의 컴퓨터를 찾기 시작했는데, 그중 하나가 DNA 컴퓨터다.

DNA 컴퓨터는 말 그대로 DNA 분자를 이용하는 분자컴퓨터(molecular computer)다. DNA 컴퓨터는 분자들의 결합을 이용한 것인데, 컴퓨터 공학자인 아들만(Leonardo M. Adleman)이 1994년 고안해 냈다. 아들만은 DNA가 유전 정보를 전달하는 것이 마치 컴퓨터에서 정보가 처리되는 것과 비슷하다는 점에서 DNA 컴퓨터를 착안해 냈다.

DNA는 인산과 당, 염기로 구성된 뉴클레오티드가 길게 결합한 분자로 A(아데닌), T(티민), G(구아닌), C(사이토신) 4가지 종류의 염기로 이루어져 있다. DNA 분자들은 스스로 조립되는 자기조립 능력, 다른 분자를 인식해서 결합하는 분자 인식 능력, 그리고 자기 복제 능력이 있어 정보를 전달하는데 이용할 수 있다. 즉 실리콘 컴퓨터에서 ‘0’과 ‘1’을 이용해 2진수로 계산을 하듯 DNA에서는 A, T, G, C의 4개의 염기를 이용해 정보를 전달한다. DNA의 특징은 A와 T, G와 C가 서로 상보적인 결합을 한다는 점인데 이것을 이용하면 정보를 전달할 수 있다.

DNA 컴퓨터는 폰노이만 구조의 컴퓨터처럼 순차적으로 작동하는 것이 아니라 병렬적인 계산방식을 사용한다. DNA 분자 개개의 결합 속도는 느리지만 3차원으로 배열된 엄청난 수의 분자들이 동시에 반응에 참여하는 병렬 연산을 통해 연산 속도를 얼마든지 높일 수 있다. 이는 마치 1,011개의 뉴런이 1,014개의 시냅스 연결을 형성하고 있는 인간의 뇌가 수많은 뉴런을 동시에 연산에 참여시키는 병렬 연산을 통해 빠르게 정보를 처리하는 것과 같은 원리다. 이와 같이 기존의 실리콘 컴퓨터가 가지지 못한 인간의 뇌가 가진 장점을 모방한 것이 바로 DNA 컴퓨터다.

또한 건조된 DNA 1g으로 CD 1조 장의 정보를 저장할 만큼 대용량의 정보를 저장할 수 있으며 반도체 컴퓨터에 비해 전력소모가 매우 적다는 것도 DNA 컴퓨터의 매력이다. 아들만은 DNA 컴퓨터로 외판원 문제(외판원이 각 도시를 모두 경유하는 최소한의 경로를 찾는 문제)를 해결해 DNA 컴퓨터의 가능성을 증명했다.

아들만 이후 한동안 새로운 개념의 DNA 컴퓨터에 대한 연구가 활발하게 이루어졌지만 사실 이렇다 할 성과가 없었다. DNA 컴퓨터를 생각만큼 빠르게 만들기 어렵고 생화학적 분자들을 에러 없이 제어한다는 것이 쉽지 않기 때문이다. 또한 실리콘 컴퓨터의 발전도 꾸준히 이루어져 실용적인 측면에서 DNA 컴퓨터가 그 자리를 대체하기가 어려웠다. 하지만 DNA 컴퓨터는 단순히 빠른 연산을 하는 것 이상의 매력이 있기 때문에 최근 다시 주목받고 있다.

DNA를 이용하면 실리콘을 대체할 수 있는 새로운 반도체 재료를 만들 수 있다. 그 재료는 바로 꿈의 신소재로 불리는 그래핀(graphene)이다. 그래핀은 실리콘 보다 100배 이상 전하를 잘 전달하면서도 강도가 우수하기 때문에 차세대 반도체 재료로 주목받아 왔다. 하지만 원자 하나 두께인 그래핀을 원하는 형태로 만드는 일은 결코 쉽지 않다.

그래서 미국의 스탠퍼드대에서는 자연의 분자 조립자인 DNA를 이용해 그래핀 트랜지스터를 만들었다. 포스텍에서는 백금 이온이 DNA의 인산기와 잘 결합하는 성질을 이용해 ‘DNA-그래핀 하이브리드’ 물질을 개발하기도 했다. 고가의 백금을 적게 사용하면서도 효율이 좋은 백금촉매를 만든 것이다. 이러한 일들이 가능한 것은 DNA 분자의 폭이 3.4나노미터(nm)로 미세하면서도 분자를 효과적으로 조작할 수 있는 로봇의 역할을 하기 때문이다.

DNA 컴퓨터가 보여주는 놀라운 미래의 모습은 여기서 끝이 아니다. DNA 컴퓨터는 영화 ‘이너스페이스’에서와 같이 소형 잠수정을 타고 몸속으로 들어가 병을 치료하는 것을 실현시켜 줄 수도 있다. 지금까지 기존의 로봇 공학으로는 이렇게 작은 분자 로봇을 만들 수 없었으며 여러 가지 물리적인 이유로 인해 가까운 미래에도 등장하기 어려운 상태다. 하지만 DNA 컴퓨터는 정확하게 프로그램에 따라 세포를 찾아내 명령을 실행할 수 있기 때문에 정상세포와 다른 암 세포를 발견하고 죽일 수 있다. 즉 프로그램 된 DNA 컴퓨터가 주사를 통해 사람의 몸속으로 투입되면 암세포를 발견하고 결합한 후 제거할 수 있다는 것이다.

이와 같이 DNA 컴퓨터는 사람의 질병을 진단하고 치료하는 나노로봇의 개념으로 발전할 가능성이 크다. 병에 걸리면 우리 몸에 투입된 수많은 DNA 로봇들이 병균을 격퇴하게 되는 꿈과 같은 일이 DNA 컴퓨팅의 미래인지도 모른다. 자연은 DNA를 만들어 냈고, 인간은 DNA로 새로운 컴퓨터의 세계를 열어가고 있다.

글 : 최원석 과학칼럼니스트

 

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환갑 맞은 생명설계도의 주인공, DNA의 변신

2013년은 생물학과 의학 분야 최대의 발견으로 꼽히는 DNA 이중나선 구조가 발견된 지 60주년이 되는 해다.

DNA는 1950년대에 들어서야 겨우 구조를 드러낼 정도로 작은 물질이다. 하지만 그 안에는 신비할 정도로 정교한 구조가 있다. DNA 발견은 전통적인 생물학을 분자생물학으로 완전히 바꿨을 뿐 아니라, 생물을 유전자 중심으로 바라보게 하는 관점의 전환을 일으켰다. 이제 질병과 생김새, 성격과 심리 등 우리 주변의 모든 것들을 유전자와 연관지어 설명하려는 시도가 낯설지 않다. 이런 경향은 인간이 지닌 유전체 전체를 해독하려 한 인간게놈프로젝트로 정점에 달했다.

60주년이 된 DNA는 이제 더 이상 세포 안에 있는 유전물질로 머물지 않는다. 세포 밖으로 나와 질병을 진단하거나 생체 재료를 만들 뿐만 아니라 컴퓨터로 활용되고 있기도 하다.

DNA 활용 기술 가운데 가장 낯선 것은 바로 DNA로 생체 컴퓨터를 만드는 ‘DNA 컴퓨팅’기술이다. DNA의 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C) 등 네 개의 염기 서열을 신호로, 염기끼리 달라붙는 결합 반응을 이용해 연산을 하는 것이다. 1g 안에 10²¹개의 염기가 들어 있는 만큼 저장할 수 있는 정보량도 엄청나다. 특히 사람의 뇌가 정보를 처리하는 방식과 비슷하게 여러 문제를 한꺼번에 처리하는 ‘병렬연산’을 한다.

장병탁 서울대 컴퓨터공학부 교수는 “언어나 시각정보 처리 등 지금의 컴퓨터로 해결하기 어려운 문제도 풀 수 있을 것”이라며 “최근 주목받고 있는 양자컴퓨터에 비해서도 기술적으로 쉽다”고 말했다.

DNA 컴퓨터는 최근 나노바이오 기술과 접목돼 응용되기도 한다. DNA는 화학적으로 안정된 나노 구조이며(DNA 분자의 폭은 3.4nm) 염기끼리 상보적으로 결합하는 특성이 있어, DNA 서열을 잘 설계하면 복잡한 나노 구조를 만들기 쉽다. 대표적인 예가 펑인 미국 하버드대 의대 교수팀의 연구다. 2011년 5월 네이처에 실린 논문은 자기조립만으로 재미있는 그림과 구조물(튜브 등)을 선보였다. 특히 완전히 합성으로만 만든 염기 42개짜리 인공 DNA 가닥을 이용하고, 접착시킬 수 있는 다른 물질을 전혀 쓰지 않은 채 DNA의 상보성에만 의지해 만들었다. 비유하자면 못을 쓰지 않고 나무를 끼워 맞추는 나무 건축물 같다.

펑인 교수팀은 한 단계 더 나아가 2012년 11월 사이언스에 아예 3차원 블록 형태의 구조물을 선보이기도 했다. 이렇게 만든 DNA 나노 구조는 질병치료를 위한 단백질이나 약물을 담아 전달하는 구조물로 사용될 수 있다. DNA는 또한 전기전도성이 있는데, 이를 이용해 아주 작은 나노 전선을 만드는 연구 사례도 있다. 컴퓨터 회로를 구성할 수도 있다. 이지훈 서울대 바이오지능연구실 박사과정 연구원은 “나노 와이어 구조를 만들면 실리콘보다 작은 구조의 전자 소자로 직접 활용할 수 있다”고 말했다.

새로운 성질을 갖는 물질 개발에도 DNA가 쓰인다. 이종범 서울시립대 화학공학과 교수는 2013년 1월 출판된 ‘네이처 나노테크놀로지’에 ‘DNA 메타 하이드로겔’이란 물질에 대한 논문을 실었다. 이 물질은 DNA의 염기가 갖고 있는 저절로 결합하는 특성을 활용했다. 솜뭉치처럼 일정한 모양 없이 흐물흐물하지만 물속에 넣으면 미리 만들어둔 모양을 회복한다. 겔은 담는 용기에 따라 형태가 변하는 물질이다. 하지만 DNA 메타 하이드로겔은 물을 제거하면 물먹은 솜처럼 흐물흐물해지고, 다시 물을 부으면 형태를 회복한다. 또한 다공성 물질이라 안에 넉넉한 공간이 있어 세포를 키울 수 있다.

이 교수는 “생체 조직을 만드는 데 쓸 수 있다”고 말한다. 또 “캡슐처럼 안에 약물을 넣어서 몸 안에 넣을 수 있다. 몸 안에서 DNA를 분해시키면 자연스럽게 약물이 나온다. 염증 치료에 이용할 수 있을 것”이라고도 말한다.

DNA 정보를 상품의 바코드처럼 활용해 즉석에서 생물 종을 찾는 ‘DNA 바코드’ 기술도 주목받고 있다. 병원균 진단에 유용할 것으로 보이는 이 기술은 바코드만 있으면 수만 가지 상품이 섞여 있어도 종류별로 쉽게 구분할 수 있는 것처럼, 수천 종의 병원균을 한 번에 진단할 수 있다. 때문에 침이나 피 한 방울만 있어도 중복 감염된 병까지 한 번에 진단할 수 있게 해준다.

새로운 물질을 화학적으로 합성해 인공 DNA를 만들기도 한다. 필립 홀리거 영국 MRC분자생물학연구소 교수는 핵산의 분자를 바꾸거나 구조를 변형해 DNA 대신 쓸 수 있는 새로운 DNA 분자를 만들었다. ‘XNA’라고 이름 붙인 이 인공 DNA는 체내에서 쉽게 분해되지 않기 때문에 병을 진단하거나 약물을 전달하는 데 재료로 쓸 수 있다.

조병관 KAIST 생명과학과 교수는 “과학자들은 최근 DNA로 새로운 정보를 표현하기 위해 염기서열 합성 외에 다양한 방법을 연구하고 있다”고 설명했다.

이처럼 DNA는 더 이상 생체 내에서 원래 주어진 역할에 만족하지 않는다. 이제 DNA 연구는 제 2막으로 들어섰다. 새로운 DNA, 즉 ‘네오 DNA’ 시대다. 네오 DNA 시대를 이끄는 과학자들은 DNA를 세포 밖으로 꺼내 전혀 새로운 용도로 활용하기 위해 끊임없이 연구하고 있다.

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글 : 윤신영 과학칼럼니스트
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영화 ‘가타카’를 보면 신생아가 태어나자마자 의사가 유전자 분석기에 태아의 피를 한 방울 떨어뜨려 검사하는 장면이 나온다. 컴퓨터는 즉시 태아의 DNA를 분석해 그의 인생을 예측한다. “이 아이는 키는 최대 175cm까지 자랄 것이고 30세에 당뇨병에 걸릴 확률이 70%며, 심장병의 위험이 있습니다….”

영화만큼은 아니지만 DNA 검사는 이미 질병을 조사하기 위해 쓰이고 있다. 그럼 검사에 쓰인 DNA는 어디서 왔을까. 세포의 핵 속이라고 생각하는 사람이 많겠지만 DNA는 세포의 핵 뿐 아니라 미토콘드리아라는 세포 소기관에도 존재한다. 따라서 DNA 검사를 하려면 미토콘드리아의 DNA까지 검사해야 한다. 사람의 DNA 중 1%밖에 차지하지 않는 미토콘드리아의 DNA가 우리 몸에 어떤 영향을 미칠 수 있을까?

우선 미토콘드리아에 대해 살펴보자. 기억력이 좋은 사람이라면 중학교 생물시간에 미토콘드리아에 대해서 배운 기억이 날 것이다. 세포 안에는 여러 소기관이 존재하는데 그 중 에너지 생성을 담당하는 역할을 하는 것이 바로 미토콘드리아다. 포도당과 산소를 사용해서 생체가 쓰는 에너지인 ATP를 만들어 낸다.

미토콘드리아가 없으면 세포는 포도당 1분자에서 기껏해야 2분자의 ATP밖에 못 만들지만 미토콘드리아가 있으면 포도당 1분자로 38분자의 ATP를 만들 수 있다. 에너지 효율로 따지면 약 40%나 된다. 인간이 최첨단 기술로 만든 엔진이 20%에 불과한 효율을 보인다는 점을 생각하면 미토콘드리아는 가히 ‘고효율 생체발전소’라 할 수 있다.

때문에 에너지를 많이 만들어야 하는 세포일수록 미토콘드리아가 많다. 우리 몸을 움직이게 하는 근육 세포, 생체 독소를 정화하는 기능을 하는 간 세포, 소화액을 만들어 내는 상피세포에 많이 존재한다.

또 같은 세포라도 미토콘드리아는 에너지를 많이 필요로 하는 부위에 모여 있다. 난자를 찾아 움직이는 정자에는 꼬리를 움직이는 부위에 미토콘드리아가 집중 분포한다. 세포 내에서 물질을 수송하는 부위, 예를 들어 소화액을 분비하는 세포막 가까운 곳에 주로 분포한다. 결론적으로 미토콘드리아는 에너지가 많이 필요한 곳 가까이 있으면서 끊임없이 에너지를 만들어 공급하는 역할을 담당한다.

과학향기링크 그럼 미토콘드리아 DNA는 우리 몸에 어떤 영향을 미칠까? 에너지를 만드는 기관인 만큼 미토콘드리아는 에너지대사와 관련이 깊은 질병인 당뇨, 비만과 관련이 깊다. 이와 관련해 최근 미토콘드리아의 DNA 유형에 따라 당뇨나 비만에 걸릴 가능성이 달라진다는 주장이 설득력을 얻고 있다.

우선 미토콘드리아의 DNA가 N9a형인 사람은 당뇨, 비만에 걸릴 확률이 낮다. 서울대 의대 이홍규 교수팀은 한국인 당뇨병 환자 732명과 일본인 당뇨병 환자 1289명의 혈액을 조사해서 미토콘드리아 DNA를 분석했다. 그 결과 정상인 중에 N9a형을 가진 비율은 5.3%였으나 당뇨병 환자 중에 N9a형을 가진 비율은 3%에 불과했다. 이 교수는 “N9a형 DNA를 가진 사람이 없는 사람보다 당뇨병에 걸릴 위험이 거의 절반에 불과하다”고 분석했다.

이는 N9a형 DNA를 가진 미토콘드리아가 에너지 생산을 더 활발히 하기 때문이다. 이 미토콘드리아는 세포가 바로 필요하지 않은 영양분까지 모두 태워 에너지를 만든다. 영양분이 저장되지 못하기 때문에 비만이 될 확률도 낮고, 비만으로 인한 당뇨병 위험도 줄어든다. N9a형 DNA의 미토콘드리아를 가진 사람은 추위에도 잘 견딘다고 한다.

이 교수 연구팀은 체질량지수(BMI)가 높은 사람일수록 미토콘드리아의 에너지 생성 효율이 떨어진다는 연구결과도 내놨다. 우선 혈액의 미토콘드리아를 제거한 세포에 실험 대상자의 세포(혈소판)를 융합한 ‘사이브리드’라는 세포를 만들었다. 조사 결과 체질량지수가 높은 사람의 사이브리드의 에너지 소모능력이 체질량지수가 낮은 사람의 사이브리드보다 떨어지는 것으로 나타났다. 즉 미토콘드리아 기능이 저하될수록 비만의 원인이 된다는 뜻이다.

재미있는 건 미토콘드리아의 DNA는 오직 어머니로부터 유전된다는 사실이다. 정자와 난자가 만나 수정이 이뤄질 때 정자는 핵만 난자와 결합한다. 결국 수정란에 존재하는 미토콘드리아는 오직 난자에 있던 것 뿐이다. 자식은 아버지와 어머니를 반씩 닮지만 미토콘드리아의 DNA만큼 어머니를 더 닮는다고 할 수 있다. 미토콘드리아와 비만의 관계가 더 밝혀지면 비만과 당뇨의 탓을 어머니에게 돌리는 사람이 늘어날지도 모르겠다.
(글 : 목정민 과학칼럼니스트)

<출처 : 한국과학기술정보연구원> ndsl링크
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