요약:
아일랜드 메이누스 대학의 연구원들은 전통적인 실리콘 칩과 지속적인 전기 에너지 입력에 의존하지 않고 DNA 분자 간의 상호 작용을 사용하여 수학적 연산을 완료하는 새로운 유형의 DNA 컴퓨터를 개발했습니다. 이 시스템은 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈 등의 연산을 수행할 수 있으며 실험에서는 100비트 데이터가 포함된 복잡한 계산을 성공적으로 처리했습니다.
연구원들은 이 시스템이 재사용될 수 있을 뿐만 아니라 시동 후 분자 자체의 상호 작용에 의존하여 계산을 완료할 수 있어 미래의 저에너지 컴퓨팅, 장기 데이터 저장 및 생체 의학 응용을 위한 새로운 연구 방향을 제시한다고 말했습니다.
이번 연구 결과는 국제학술지 네이처(Nature)에 게재됐다. 연구팀은 이 시스템을 SDC(Scaffolded DNA Computer)라고 부르며 지금까지 보고된 보다 복잡하고 빠른 분자 컴퓨팅 시스템 중 하나라고 설명합니다.
트랜지스터의 스위칭 상태를 통해 이진 정보를 처리하는 기존 컴퓨터와 달리 DNA 컴퓨터는 핵산 분자의 화학적 특성을 사용하여 정보를 처리합니다. 연구자들은 서로 다른 DNA 단편의 서열을 미리 설계하여 이러한 분자들이 특정 규칙에 따라 서로 결합하고 궁극적으로 계산 결과를 나타낼 수 있는 분자 구조를 형성합니다.
전체 시스템은 전통적인 의미에서 컴퓨터처럼 보이지 않습니다. 마더보드, 프로세서 또는 그래픽 카드가 필요하지 않으며 기존 전자 컴퓨터에서 볼 수 있는 많은 고속 스위칭 트랜지스터도 필요하지 않습니다. 실험 중에 연구원들은 시험관에 물, 소금, 짧은 DNA 조각 및 긴 DNA 스캐폴드만 혼합하면 되며, 소량의 가열과 후속 냉각을 통해 계산 프로세스가 시작될 수 있습니다.
그 중 긴 DNA 가닥은 지지체 역할을 하고, 짧은 DNA 조각은 미리 설계된 규칙에 따라 결합됩니다. 온도가 변함에 따라 분자는 계속해서 결합하고 재배열하여 점차적으로 보다 안정적인 구조를 형성합니다. 최종 분자 배열은 계산 문제의 답에 해당합니다.
메이누스 대학교 해밀턴 연구소의 데미안 우즈 교수는 이 기술의 핵심 혁신은 각 계산 단계를 구동하기 위해 에너지를 지속적으로 입력할 필요 없이 시스템이 자연스럽게 해당 답을 찾을 수 있다는 점이라고 말했습니다.
이 계산 방법은 열역학 원리를 활용합니다. DNA 분자가 상호 작용할 때 서로 다른 결합 방법은 서로 다른 에너지 상태를 갖습니다. DNA 서열과 비계 구조를 합리적으로 설계함으로써 연구자들은 정답을 나타내는 분자 배열을 보다 유리한 에너지 상태에 대응시켜 전체 시스템이 자기 조립 과정에서 점진적으로 이 상태로 경향을 갖도록 할 수 있습니다.
즉, 연구자들은 기존 프로그램처럼 일련의 전자 지시에 따라 프로세서에 계산을 단계별로 수행하도록 요청하는 대신 미리 계산 규칙을 DNA 분자에 인코딩한 다음 분자가 자체 화학적 상호 작용에 의존하여 규칙을 준수하는 결과를 찾도록 합니다.
이 방법은 분자 수준에서 계산을 연구하는 데 특히 적합합니다. 많은 수의 DNA 분자가 동일한 솔루션에서 동시에 상호 작용할 수 있으므로 시스템은 잠재적인 병렬 처리 기능을 갖습니다. 그러나 분자 수가 많다고 해서 모든 계산이 즉시 완료될 수 있는 것은 아닙니다. 최종 속도는 여전히 분자 반응, 구조 조립 및 결과 판독과 같은 여러 링크에 따라 달라집니다.
시스템의 실제 기능을 검증하기 위해 연구팀은 최대 100비트 데이터 규모의 계산 작업을 포함하여 다양한 수학적 연산이 포함된 10가지 계산 프로그램을 설계하고 테스트했습니다.
간단한 실험에서 DNA 컴퓨터는 약 30초가 소요되는 10 더하기 3의 연산을 성공적으로 완료했습니다. 기존 컴퓨터의 경우 이 계산은 거의 즉시 완료되지만 분자의 자기 조립에 의존하여 계산을 완료하는 시스템의 경우 이 결과는 간단한 컴퓨팅 작업을 처리할 수 있는 능력을 보여줍니다.
더 복잡한 또 다른 실험에서 연구원들은 시스템에 약 1,100만에서 3,400만 사이의 숫자를 추가하도록 요청했습니다. 더 큰 규모의 계산으로 인해 시스템이 결과를 얻는 데 최대 약 14시간이 소요됩니다.
이러한 실험은 DNA 컴퓨터가 단순한 한 자릿수 덧셈보다 훨씬 더 복잡한 문제를 처리할 수 있지만 계산 속도와 기존 실리콘 칩 사이에는 여전히 큰 격차가 있음을 보여줍니다. 연구원들은 일반 컴퓨터를 직접 대체하기 위해 이를 구축하려는 것이 아니라 정보 처리를 위해 물질 자체를 사용하는 다른 방법을 모색하기를 희망합니다.
연구에 참여한 아비르 에슈라(Abir Eshra) 조교수는 이 시스템의 응답 속도가 실리콘 칩만큼 빠르지는 않지만 성능은 기존에 개발된 다른 DNA 컴퓨터에 비해 장점이 있다고 말했다. 그녀는 이번 연구의 목표가 DNA 컴퓨터가 모든 작업에서 전통적인 전자 컴퓨터를 능가하도록 만드는 것이 아니라 에너지 소비 및 병렬 처리 측면에서 분자 컴퓨팅의 잠재적 이점을 활용하는 것이라고 강조했습니다.
컴퓨팅 성능 외에도 시스템의 재사용 성능도 이번 연구의 중요한 결과 중 하나입니다. 실험에 따르면 동일한 DNA 컴퓨팅 시스템은 매번 시스템을 완전히 재구축하지 않고도 최대 25가지의 서로 다른 컴퓨팅 작업을 지속적으로 수행할 수 있는 것으로 나타났습니다.
분자 컴퓨팅에서는 재사용성이 중요합니다. 일부 초기 DNA 컴퓨팅 방법은 다량의 분자 물질을 소모하므로 계산이 완료된 후에도 원래 시스템을 계속 사용하기가 어렵습니다. 매 작업마다 많은 수의 DNA 분자를 새로 준비해야 한다면 관련 기술의 비용과 실제 적용 난이도가 크게 높아진다.
메이누스 대학교 팀이 개발한 시스템은 지속적인 계산에 재사용이 가능해 향후 보다 실용적인 분자 컴퓨팅 플랫폼을 구축할 수 있는 가능성을 제공합니다. 그러나 연구는 아직 실험실 단계에 있으며 보다 복잡한 작업, 장기 실행 및 대규모 배포에서 시스템의 안정성에 대해서는 추가 검증이 필요합니다.
이 연구의 배경은 전 세계적으로 컴퓨팅 및 데이터 저장 수요가 지속적으로 증가함에 따라 발생하는 에너지 압박입니다.
인공지능 모델, 클라우드 컴퓨팅 서비스, 대규모 데이터 센터를 지속적으로 실행하려면 많은 수의 프로세서가 필요합니다. 컴퓨팅 작업의 규모가 지속적으로 확장됨에 따라 기존 전자 컴퓨팅 시스템의 에너지 소비는 산업 발전에서 점점 더 중요한 문제가 되었습니다.
Woos는 컴퓨팅과 데이터 저장이 아일랜드 전력 소비의 상당 부분을 차지한다고 지적했습니다. 그는 오랫동안 사람들이 컴퓨터를 실리콘 칩 및 전자 회로와 동일시하는 경향이 있었지만 자연계에 정보를 처리할 수 있는 다른 시스템이 있다는 사실을 무시해 왔다고 믿습니다.
뇌가 그 예입니다. 인간의 두뇌는 많은 현대 컴퓨팅 시스템보다 훨씬 적은 전력 소비로 복잡한 정보 처리 작업을 완료할 수 있습니다. 비록 DNA 컴퓨팅이 뇌와 같은 방식으로 작동하지는 않지만, 연구자들은 전통적인 전자 컴퓨팅과 다른 물리적, 화학적 과정을 탐색하여 새로운 컴퓨팅 아키텍처를 찾기를 희망하고 있습니다.
DNA 자체도 정보 밀도가 매우 높습니다. 이는 서로 다른 배열로 정보를 암호화하는 4개의 기본 뉴클레오티드로 구성됩니다. 이론적으로 DNA는 극히 작은 부피에 많은 양의 데이터를 저장할 수 있기 때문에 오랫동안 미래의 고밀도 데이터 저장을 위한 잠재적 매체로 여겨져 왔습니다.
그러나 DNA 저장과 DNA 컴퓨팅은 서로 관련되어 있지만 서로 다른 연구 방향입니다. DNA 저장은 주로 디지털 정보를 핵산 서열로 인코딩하고 필요할 때 안정적으로 읽는 방법에 중점을 둡니다. DNA 컴퓨팅은 분자 간의 상호 작용을 사용하여 논리적 또는 수학적 연산을 직접적으로 완료하려고 시도합니다. 본 연구의 초점은 후자에 있으며, 컴퓨팅과 스토리지를 결합한 시스템에 대한 향후 탐색을 위한 기반도 제공합니다.
연구원들은 이 기술이 향후 정보의 장기 보존이 필요하거나, 에너지 공급이 제한되거나, 분자의 병렬 처리 기능을 완전히 활용할 수 있는 특정 시나리오에 사용될 수 있다고 믿습니다. 예를 들어 일부 장기 데이터 저장 시스템에서 정보 보존이 컴퓨팅 작업의 일부와 통합될 수 있다면 기존 전자 장비에 대한 의존도를 줄일 수 있는 기회가 있습니다.
미래에는 분자 컴퓨팅이 생물의학 연구와 결합될 수도 있습니다. DNA 자체는 살아있는 유기체의 정보 분자이기 때문에 연구자들은 질병과 관련된 특정 분자 신호를 식별하는 것과 같은 세포 내부 또는 생물학적 환경에서 특정 작업을 수행하는 데 유사한 분자 시스템을 사용할 수 있는지 여부를 탐구하기를 희망합니다.
이러한 시스템이 미래에 실현된다면 연구자들이 새로운 분자 센서를 개발하는 데 도움이 되거나 특정 생체분자가 주변 환경에 반응할 수 있게 될 것으로 기대됩니다. 그러나 현재의 DNA 컴퓨터는 여전히 시험관에서 실행되는 실험 시스템이므로 과학자들이 완전한 DNA 컴퓨터를 인간 세포에 이식할 수 있다는 의미는 아닙니다.
엔지니어링 관점에서 보면 이 기술로 해결해야 할 문제가 여전히 많습니다. 첫째, DNA 분자 조립 과정에는 적절한 온도, 용액 조건 및 분자 농도가 필요하며 연구자들은 다양한 실험 배치에서 일관된 결과를 얻을 수 있는지 확인해야 합니다. 둘째, 계산이 완료된 후 시스템은 적절한 방법을 통해 분자 구조를 읽고 그 결과를 인간이나 다른 컴퓨팅 장치가 사용할 수 있는 정보로 변환해야 합니다.
대규모 응용의 경우 복잡한 계산 속도를 높이고, 오류를 줄이고, DNA 재료 비용을 줄이고, 반복 가능한 준비 프로세스를 구축하는 것도 중요합니다. 분자가 일정한 전력 없이 작동할 수 있더라도 실험 장비를 가열하고 준비하고 판독하는 과정에는 여전히 에너지가 소비될 수 있습니다. 따라서 이번 연구의 보다 정확한 의의는 전체 실험 과정에 에너지가 전혀 필요하지 않다는 것을 증명하는 것보다는 계산 과정을 구동하기 위해 지속적인 전기가 필요하지 않은 분자 컴퓨팅 메커니즘을 입증하는 것입니다.
연구팀이 참여한 DISCO 프로젝트인 DNA 기본 저장 및 컴퓨팅 인프라 프로젝트는 DNA를 정보 저장 및 컴퓨팅에 활용하는 방법을 더욱 개발하기를 희망합니다. 이 프로젝트는 유럽혁신협의회(European Innovation Council)로부터 약 400만 유로의 자금을 지원받았으며 Woods가 주도했습니다.
연구원들은 현재 연구가 탐색적 기초 연구이며, 향후 적용 방향에 대해서는 여전히 불확실성이 크다고 말했습니다. DNA 컴퓨터는 단기적으로 PC, 스마트폰 또는 인공 지능 데이터 센터의 기존 프로세서를 대체하지는 않지만 특정 전문 컴퓨팅 작업을 구현하는 다른 방법을 제공할 수 있습니다.
이 연구에서 정말 중요한 점은 컴퓨팅이 반드시 트랜지스터와 지속적으로 전원이 공급되는 전자 회로에만 의존할 필요가 없다는 점을 보여준다는 것입니다. 연구진은 분자 구조를 주의 깊게 설계함으로써 DNA가 자기 조립 과정에서 수학적 연산을 완료하고 계산이 완료된 후에도 결과를 나타내는 구조를 유지할 수 있었습니다.
컴퓨팅 수요와 에너지 소비가 계속 증가함에 따라 기존 실리콘 칩과 다른 컴퓨팅 방법을 찾는 것이 과학계의 중요한 연구 방향이 되었습니다. DNA 컴퓨터는 아직 실용적인 응용과는 거리가 멀지만 저에너지 컴퓨팅, 분자 정보 처리 및 새로운 데이터 저장 기술을 위해 계속 탐구할 가치가 있는 방향을 제시합니다.
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