DNA를 이용한 프로그래밍 가능 컴퓨터가 선보여, DNA 컴퓨터 시대의 서막이 열렸다. 와이즈만 연구소 (Weizmann Institute)는 DNA 1조개를 하나로 모아 초당 10억회의 연산을 할 수 있는 DNA 컴퓨터를 만들었다. 이만한 양의 DNA를 하나로 모을 경우 물방울 크기 정도다. 

DNA를 일반 실리콘처럼 정보 저장과 처리 목적에 이용할 수 있다는 착안은 94년 남캘리포니아 대학 Leonard Adleman 교수가 DNA를 테스트 튜브에 넣어 단순한 수학 문제를 해결하는데 성공함으로써 처음 현실화됐다. 이후 전세계 십여개 연구소들이 생물학(BT)과 정보기술(IT)을 융합시킨 이 분야에 뛰어들었으며, 초당 수 조번의 동시 연산이 가능한 DNA의 숨은 능력을 활용할 방안을 연구하고 있다. 

나노미터(10억분의 1미터) 크기 정도의 물질을 이용해 그토록 많은 횟수의 연산이 가능하다는 것은 이제 더 이상 작아지기 어려울 것으로 예상되는 현재의 실리콘 칩의 소형화 한계를 극복하는 길이 될 것이다. DNA 분자는 모든 세포의 핵에 이중나선 형태로 존재하며, 알려진대로 세포의 유전 정보를 아데닌(A;adenine), 티민(T;thymine), 시토신(C;cytosine), 구아닌(G;guanine)의 4가지 염기조합으로 저장하고 있다. 이 DNA 분자를 1입방센티미터 안에 집적할 경우 보통 음악 CD 1조장 분량의 데이터를 저장할 수 있는 것으로 알려졌다. 

이들 4가지 염기는 정해진 상호 보완적인 방식으로 결합되는데 이들은 복잡하게 조합하면서 하나의 패턴으로 유전 정보를 담고 있다. 복잡한 염기 조합의 패턴은 인체내에서 자연 발생하는 효소에 의해 읽혀진다. 
와이즈만 연구소 (Weizmann Institute)가 DNA를 계산기처럼 작동하도록 만들었던 것은 지난해 위스콘신 대학 (University of Wisconsin) 연구팀이 DNA 가닥들을 유리 슬라이드에 고정시켜 DNA 칩을 만들수 있도록 하는데 성공한 것이 큰 도움이 됐다. 

과학자들은 DNA를 마이크로프로세서로 활용하는 일이 아직은 요원하기 때문에 DNA가 실리콘 기반 컴퓨터를 대체한다기보다 이를 보완하는데 그칠 것으로 보고 있다. 


혼합형 컴퓨터 

DNA 컴퓨팅 분야에서 처음으로 박사학위 논문을 쓴 리버풀 대학 (University of Liverpool)의 마틴 에이모스 (Martyn Amos) 교수는 ``앞으로 컴퓨터는 실리콘과 DNA 프로세서를 공동으로 사용하며, 통상적인 처리 작업은 전통적인 실리콘 프로세서가 하고 DNA 프로세서가 가장 잘 할 수 있는 특정 과업은 DNA가 하게 될 것'이라고 전망했다. 

DNA 가닥은 기존 실리콘 칩 기반의 데스크탑 PC가 하나의 연산을 매우 빠르게 수행하도록 설계된 것과는 달리 동시에 수십억 개의 답을 제시할 수 있다. 따라서 DNA 가닥은 2진법 연산보다는 가능한 많은 문제를 동시에 해결하는 이른바 퍼지논리 (fuzzy logic)의 문제를 해결하는 데 적합하다. 

과학자들은 DNA가 새로운 컴퓨팅 매개 물질로서 흥미를 끌고는 있지만 수가 큰 문제를 풀기 위해 연산을 확장할 수 있는 소위 scalability를 아직 DNA에 구현하지 못했다고 인정했다. 애들만 교수가 최초로 DNA 테스트 튜브를 이용해 풀었던 수학 문제는 14개의 일방통행 도로를 연결한 7개 도시를 모두 돌아볼 수 있는 최단거리를 찾는 이른 바 `세일즈맨의 여행 문제'였다. DNA 테스트 튜브는 이 문제를 풀기 위해 모든 가능한 순열을 만들었고 생화학적 반응을 이용해 그 중에서 정확한 순열만을 가려냈다. 

하지만 문제는 순열의 수가 커질수록 필요로 하는 DNA도 많아지며 현재의 기술 수준으로는 복잡한 문제를 풀기 위해 필요한 DNA 수를 감당할 수 없다. 에이모스 교수는 ``세일즈맨의 여행 문제를 7개 도시에서 200개 도시로 늘리면 모든 가능한 순열을 하나씩 대표하는 DNA들을 합친 무게가 지구 무게를 넘어설 것''이라고 추산했다. 대표적인 컴퓨터업체인 IBM은 바로 이같은 문제 때문에 생물학적 물질보다 탄소 나노튜브와 양자 컴퓨팅처럼 원자에 집중하고 있다. 


똑똑한 세포 

DNA 분자는 당장 DNA 컴퓨터 제품으로 만들어지진 않겠지만 우선 제약산업에서 응용될 수 있을 것으로 보인다. 와이즈만 연구소 DNA 컴퓨터 연구팀장 에후드 샤피로 (Ehud Shapiro) 교수는 DNA 나노기기가 인간 세포내에 삽입될 경우 질병을 유발할 수 있는 세포 변화를 감시하고 세포가 이상 변화를 보이면 약을 종합적으로 세포에 전달해 암과 같은 세포의 이상 변화를 치료할 수 있을 것으로 전망했다. 그는 ``살아있는 세포에는 유전 정보를 기호화해서 저장한 DNA와 RNA분자들을 컴퓨터처럼 조정하는 신비한 해독 분자가 있다''고 강조했다. 그는 ``현재로서는 정보 해독 분자를 효과적으로 수정하거나 새로운 분자 기기를 만드는 방법을 전혀 모르기 때문에 신체내 여러 시스템이 정보를 가진 분자와 결합해 컴퓨터처럼 작동하도록 조정하는 체내 기기를 찾아야 한다''고 덧붙였다. 

그런가 하면 DNA 컴퓨터는 이른바 '스마트 박테리아 (smart baterium)'내에서 진단기기로도 활용될 수 있다. 예를 들어 특정 화학물질이 존재하면 활성화되는 작은 논리 회로가 스마트 박테리아의 게놈 (염색체 1조)에 포함되도록 스마트 박테리아의 게놈을 재조정할 수 있다면 그 논리 회로는 스마트 박테리아내에서 특정 화학물질에 대해 진단 기기 역할을 할 것이다. 

에이모스 교수는 ``DNA 컴퓨팅 분야는 이제 걸음마 단계지만 5 ~ 10년 후면 현실적으로 응용될 것''으로 전망했다. 


-출처 한국과학기술연구원.
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