아일랜드 해밀턴 연구소(Hamilton Institute)의 세 연구원은 물 속에 떠 있는 상호 작용하는 DNA 가닥을 활용하여 곱셈, 나눗셈, 덧셈이 가능한 분자 컴퓨터를 고안했습니다.
Damien Woods 교수, Abeer Eshra 조교수, Tristan Stérin 박사 팀은 연구 결과를 Nature 저널에 발표했습니다. 그들은 이 연구가 장기 데이터 저장, 에너지 효율적인 컴퓨팅, 궁극적으로 질병 감지를 포함한 사용 사례를 위해 세포 내부에서 작동하는 분자 시스템을 위한 새로운 길을 열었다고 말합니다.
메이누스 DNA 연구자
이 개념은 개요적으로는 놀라울 정도로 단순해 보이지만 구현에서는 매우 복잡합니다. 연구자들은 짧은 DNA 조각과 긴 DNA 비계와 함께 시험관 안에 소금물 한 방울을 넣었습니다. 혼합물을 가열한 다음 냉각시키면 DNA가 계산을 수행하게 됩니다. Woods는 "분자가 상호 작용하여 구조를 형성하며 그 구조가 답입니다. 한 가지 핵심 혁신은 시스템이 지속적인 에너지 입력 없이 자연스럽게 답을 찾는 것입니다."라고 말했습니다.
SDC(Scaffolded DNA Computer)라고 불리는 이 컴퓨터는 긴 뼈대 DNA 가닥을 백본으로 사용합니다. 수백 개의 짧은 가닥이 미리 설계된 바인딩 사이트에 부착되어 비트를 인코딩합니다. 이러한 바인딩은 분자 프로그램의 입력으로 데이터를 편집하도록 변경될 수 있습니다. DNA 상호작용은 레고 벽돌이나 DNA 종이접기처럼 예측 가능하게 작동하며, 동일한 습식 하드웨어로 별개의 분자 프로그램을 실행할 수 있습니다.
냉각은 시스템을 열역학적으로 안정적인 평형 상태 인코딩 알고리즘 출력으로 유도합니다. 시스템이 평형에 도달하면 자동으로 계산이 수행됩니다. 연구원들은 시스템이 자연스럽게 목표 출력 상태에 안착하기 때문에 별도의 오류 수정 하위 시스템이 제거된다는 점에 주목합니다.
팀은 다음을 포함하여 10가지 프로그램을 실행했습니다.
---3으로 곱하기,
---2분할,
---8비트 패리티 감지,
---25비트 숫자 추가 — 100비트 계산.
실리콘 표준에 따르면 계산은 여전히 느리지만 DNA 컴퓨팅 내에서 새로운 속도 벤치마크를 설정합니다. 대략 1,100만에서 3,400만 사이의 숫자를 추가하는 한 실험은 결과를 반환하는 데 최대 14시간이 걸렸고, 10 더하기 3을 계산하는 것은 30초 만에 완료되었습니다. 연구원들은 SDC가 연구실 장비의 속도 제한과 일치하고 DNA 컴퓨팅 문헌에 기록된 가장 빠른 프로그램을 대표하는 매우 짧은 계산을 30초에서 1분 안에 완료할 수 있다고 보고합니다.
Eshra 박사는 "반응은 시험관에서 빠르게 일어나지만 실리콘만큼 빠르지는 않으며 그렇게 의도된 것도 아닙니다. 그러나 다른 DNA 컴퓨터와 비교할 때 우리 컴퓨터가 가장 빠릅니다."라고 말했습니다.
또한 이 장치는 견고하고 재사용이 가능하며 최대 25개의 순차적 개별 계산을 완료합니다.
이 작업의 복잡성은 Nature 논문에 포함된 다이어그램에서 볼 수 있습니다.
전체 다이어그램을 보면 해당 범위를 이해하는 데 도움이 됩니다.
연구자들은 네이처(Nature) 논문에 다음과 같이 썼습니다. "열역학적 컴퓨팅 원리는 강력한 DNA 데이터 저장을 가능하게 할 수 있습니다." 이론적으로는 가능하지만 느린 데이터 액세스와 시스템 복잡성으로 인해 광범위한 DNA 저장은 비실용적입니다. 지속적인 전력 소모에도 불구하고 실리콘 컴퓨팅이 공공 자금 지원을 받는 연구로 인해 위협에 직면하고 있다는 주장은 분명히 과장되었습니다. 그럼에도 불구하고, 분자 DNA 컴퓨팅은 인간 세포를 재프로그래밍하는 데 가치가 있음이 입증될 수 있으며 이는 흥미로운 전망입니다.
Woods 교수는 "이것은 푸른 하늘의 과학입니다. 우리는 미래가 우리를 어디로 데려갈지 모릅니다."라고 말했습니다.
Tristan Stérin은 연구와 그 기원에 대한 자세한 설명을 공유했습니다.
부트노트
이 DNA 컴퓨터 연구는 DISCO 프로젝트, 저장 및 계산을 위한 DNA 기반 인프라에 따라 EU 자금 지원을 받습니다. 이 이니셔티브는 새로운 컴퓨팅 및 데이터 저장 방법을 위한 DNA 기술을 탐구합니다. DNA 기반 디지털 데이터 저장에 대한 유럽 혁신 협의회 패스파인더 챌린지(Pathfinder Challenge)를 통해 자금을 지원받은 이 프로젝트의 규모는 약 400만 유로(460만 달러)입니다. Woods 교수와 Maynooth University의 TAPDANCE 그룹이 협력하는 파트너로는 DNA 종이접기를 전문으로 하는 뮌헨의 Tilibit과 파리에 본사를 둔 PRGM.dev/Major Groove가 있습니다.
TAPDANCE는 Woods 교수가 이끄는 메이누스 대학교 해밀턴 연구소 및 컴퓨터 과학부 내 DNA 컴퓨팅 엔진의 이론 및 실제 연구 그룹입니다.
메이누스 대학교(Maynooth University)는 더블린에서 서쪽으로 약 15마일 떨어진 아일랜드 킬데어 카운티 메이누스에 본사를 둔 아일랜드 국립 대학교의 구성 학교입니다.
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