요약:
매사추세츠 공과대학(MIT) 연구팀은 최근 합성 생물학과 전자 공학을 결합하여 미래의 자가 치유 및 프로그래밍 가능한 생체 전자 시스템을 위한 새로운 길을 열어준 박테리아로 만든 '살아있는 회로 기판'을 개발했습니다. 이 성과는 회로에서 살아있는 유기체의 기능적 역할을 보여줄 뿐만 아니라 전통적인 실리콘 기반 전자 장치가 생물학적 세계의 패러다임 변화를 가져올 수 있음을 의미합니다.
연구팀은 유전자 조작된 대장균(E. coli)을 기본 물질로 사용하여 내부 유전자 발현 네트워크를 정밀하게 조절함으로써 박테리아가 외부 전기 신호에 반응하고 논리적 연산을 수행할 수 있도록 했습니다. 박테리아는 특수 생체 적합성 기판에 고정되어 기존 회로 기판과 유사한 구조를 형성하지만 박테리아의 "전선"과 "스위치"는 살아있는 세포로 만들어집니다. 특정 전압이나 화학적 신호가 가해지면 박테리아 내부의 유전 회로가 활성화되어 형광 단백질 또는 기타 감지 가능한 출력 신호를 생성하여 정보의 전송 및 처리를 실현합니다.
기존 전자 부품과 달리 이 생물학적 회로는 자가 복제, 자가 수리 및 환경 적응 능력을 갖추고 있습니다. 연구진은 박테리아가 손상되면 분열과 재생을 통해 기능을 회복할 수 있는 반면, 실리콘 기반 칩은 손상되면 수동으로 교체해야 한다고 지적했다. 또한, 박테리아는 정상적인 온도와 압력에서 작동할 수 있기 때문에 전체 시스템은 매우 적은 에너지를 소비하며 이식형 의료 장비, 환경 모니터링 센서, 심지어 분산형 바이오컴퓨팅 네트워크에도 사용될 것으로 예상됩니다.
실험에 따르면 살아있는 회로 기판은 기본 논리 게이트 기능(예: "AND", "OR" 및 "NOT")을 성공적으로 구현했으며 간단한 산술 연산을 수행할 수 있습니다. 또한 팀은 여러 박테리아 모듈 사이의 신호 전달 계통을 시연하여 보다 복잡한 생물학적 컴퓨팅 시스템을 구축할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다. 현재의 컴퓨팅 속도는 기존 칩보다 훨씬 느리지만 생체 적합성, 지속 가능성 및 기능적 다양성의 장점은 무시할 수 없습니다.
프로젝트 리더는 다음 단계는 회로의 안정성을 개선하고 박테리아의 생존 시간을 연장하며 다른 생물학적 물질(예: 뉴런 또는 조직 공학 지지체)과의 통합 가능성을 탐색하는 데 중점을 둘 것이라고 말했습니다. 장기적으로 이러한 유형의 "살아있는 전자 장치"는 인간-컴퓨터 인터페이스, 스마트 약물 전달 시스템, 심지어 인공 생명체의 핵심 구성 요소가 될 수 있습니다.
이 연구는 '네이처 생명공학(Nature Biotechnology)' 최신호에 게재되어 '생물학은 하드웨어'라는 개념에 대한 학계의 광범위한 논의를 촉발시켰습니다. 합성 생물학과 마이크로 전자 공학이 더욱 통합되면 미래에는 세포로 구성된 컴퓨터, 생각할 수 있는 조직, 심지어 신진 대사 기능을 갖춘 로봇도 나타날 수 있습니다.
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