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DNA 컴퓨팅, 미래의 데이터 처리와 저장 기술

BioINwatch(BioIN+Issue+Watch): 24-74

• ◆DNA로 데이터 저장·삭제·검색·연산 등 일반 컴퓨터의 모든 기능을 수행할 수 있는 DNA 컴퓨터 개발에 관한 연구결과가 발표
  

• ○존스홉킨스대와 노스캐롤라이나대 공동 연구팀은 DNA를 기반으로 일련의 데이터 저장 및 컴퓨팅 기술을 개발
  

• -︎DNA 분자를 넓은 표면에 효율적으로 흡착시킬 수 있는 특수 나노 섬유인 연성 수지상 콜로이드(soft dendritic colloids, SCD)를 개발한 것과 생물학적 분자(DNA, RNA)의 고유한 기능을 정교하게 조율한 점이 이번 연구의 핵심 요소
  

• ○SCD는 높은 표면적, 생물학적 호환성, 비파괴적 데이터 처리, 경제성과 같은 특징을 보유
  

• -︎미세한 나뭇가지 모양의 다공성 구조로, 단위 질량 당 표면적이 매우 커 DNA 분자가 효율적으로 흡착하여 데이터 저장 밀도*가 증가
  * SDC는 1mg당 최대 10TB의 데이터를 저장할 수 있는 높은 정보 밀도를 제공
  

• -︎DNA는 SDC 표면에 비공유결합(non-covalent) 방식으로 흡착하여 DNA 분자의 손상 없이 반복적인 전사(transcription)나 재흡착이 가능
  

• -︎SDC는 생체 친화적인 소재(셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스, 아가로오스 등)로 제작되어 생물학적 효소나 핵산과 안정적으로 상호작용하며, 데이터 처리 과정에서 생물학적 안정성을 유지
  

• -︎SDC에 흡착된 DNA는 동결건조(freeze-drying) 및 재수화(rehydration) 후에도 안정적으로 유지되어 장기 보존 및 반복적 사용에 적합
  ※ 반복적인 저장(170회 이상의 동결건조 및 재수화 사이클)에서도 DNA 손상 없이 데이터 보존
  

• -︎또한 SDC는 기존 기술(magnetic bead 기반 시스템 등) 대비 제작 비용이 저렴하여 대량의 데이터를 저비용으로 저장 가능하여 다양한 응용성 제공
  
  

• ◆생물학적 분자인 DNA와 RNA의 고유한 기능(정보 저장, 전사, 선택적 분해)을 활용하여 데이터 저장, 읽기, 삭제, 연산과 같은 컴퓨터의 주요 기능을 구현
  

• ○(데이터 저장) 생명체의 유전정보를 저장하는 DNA의 특성을 활용해 디지털 데이터를 염기서열 형태로 암호화하고 저장
  ※ DNA는 뛰어난 정보 밀도(1mg당 최대 10TB)를 지녀 데이터 저장 매체로 매우 유리
  

• -︎DNA를 미세유체장치 내로 주입하여 덴드리콜로이드 나노섬유 사이사이에 고밀도의 DNA를 흡착*시켜 고정
  * 비공유결합에 의한 흡착 방식으로, 공유결합 대비 안정적으로 고정하지는 못하지만 삭제, 수정과 같은 기능을 구현하는데 더 유연한 플랫폼을 제공
  ※ Albert keung 교수는 연필 지우개만한 크기에 노트북 1,000개 분량의 데이터를 저장할 수 있으며, 안정적으로 수천 년 간 보관이 가능하다고 설명
  

< SCD에 DNA를 흡착하여 고정하는 과정 >

출처 : Nature Nanotechnology, A primordial DNA store and compute engine, 2024.8.22.

• ○(데이터 읽기) SCD 표면에 흡착된 DNA로부터 RNA를 전사하여 데이터 읽기(access, 데이터 접근) 기능을 구현
  

• -︎디지털 데이터를 염기서열로 변환하고 이를 안정적으로 저장 및 처리할 수 있는 DNA 데이터 파일 아키텍처를 구성
  ※ DNA 데이터 파일에는 파일 식별자, 데이터 페이로드 및 특정 RNA 중합효소(T7, Sp6, T3 등)에 의해 작동되는 프로모터 서열을 포함하여 특정 파일만 선택적으로 읽어낼 수 있도록 설계
  

• -︎SDC에 저장된 DNA는 10번 이상의 반복적인 접근 실험에서 높은 안정성과 정확성을 유지하는 것을 확인