[컴퓨터과학] DNA컴퓨팅

DNA 컴퓨팅

DNA 컴퓨팅은 분자 정보 처리 기술을 이용한 차세대 IT 기술이다. DNA의 화학적 특성에 기초하여 기존보다 뛰어난 성능으로 정보를 저장하고 처리한다.

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• 역사
   1970년대 후반 세포에서 반응 원리와 생체대사 반응을 활용하려 했으나 의미 있는 성과를 거두지 못했다. 그 후 1994년 Adleman이 DNA를 사용하여 해밀턴 경로 문제를 해결할 수 있음을 알아내며 연구가 시작되었다. 하지만 장비와 지원 부족의 문제로 느리게 발전해오다가 최근 바이오에 대한 관심이 커지면서 관련 연구가 활발해지고 있는 중이다.

 

• 특징
   기본적으로 DNA 분자의 합성과 화학적 특성을 이용해서 정보를 저장하고 처리한다. DNA 1그램에는 약 10^21개의 염기를 가지고 10억 테라의 용량을 가진다. 이처럼 작은 양일지라도 초미세구조와 초고집적도라는 특성 덕분에 실리콘 반도체에서는 불가능했던 정보처리 능력을 가질 수 있다. 또한 바이오 기술, 나노 기술, IT기술이 융합되어 있다는 점에서 기술 및 산업적 효과가 크다고 볼 수 있다.

 

• 원리

 

처리해야 하는 문제를 DNA 코드로 표현한다. 이 코드는 DNA 염기의 상보성을 이용하여 나타낸다. 상보성이란 A염기는 T염기와만 결합하고 G염기는 C염기와만 결합하는 것이다. 이렇게 DNA 코드들을 만든 뒤 화학반응을 통해 모든 경우의 해를 만들어낸 뒤 그 중에 문제에 대한 해답이 있는지 검사하여 답을 도출한다.

 

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• 해밀턴 경로 문제
   위의 원리를 이용해서 해밀턴 경로 문제를 해결할 수 있다. 해밀턴 경로 문제란 하나의 그래프 구조에서 시작점과 도착점이 주어졌을 때 그래프의 모든 정점을 한번만 지나는 경로가 있는지를 결정하는 문제이다.

-DNA 컴퓨팅으로 해밀턴 경로 문제 접근
 이 그래프에서 v0 = CCTT GGAA, v1 = GGCC AATT, v2 = AAGG TTCC,
v3 = TTCC AAGG, v4 = AATT CCGG 이와 같이 각 정점에 DNA 조각을 할당한다.
그리고 각 정점 사이의 연결선을 앞 정점의 5~8번째 DNA의 상보값과 뒤 정점의 1~4번째 DNA의 상보값으로 정의한다. ex) 연결선 v0-v1은 v0의 5~8번째(GGAA)의 상보값 CCTT와 v1의 1~4번째(GGCC)의 상보값 CCGG로 나타낼 수 있다.
DNA가 할당된 정점과 연결선을 하나의 시험관에 넣고 반응시키면 DNA의 상보성에 의하여 다양한 종류의 DNA가 결합하여 경로를 나타낸다. 이 때, v0에서 v1까지만 결합된 경로부터 모든 정점을 한 번씩 지나는 답에 해당하는 경로까지 여러 가지 경로가 나타나게 된다. 이제 그들을 검사하여 해답을 도출해야 한다.

시험관에서 결합된 DNA를 검사하는 절차는 총 4단계로 나뉜다.

 먼저 생성된 DNA 경로가 v0에서 시작하여 v4로 끝나는 지 확인한다. 보통 DNA를 증폭시켜 검사하는 중합효소연쇄반응(PCR)을 이용한다. 2번째는 거쳐 간 정점의 수가 총 정점의 개수와 같은지 검사한다. 이 경우에는 전기영동법을 사용하여 분자량을 통해 정확한 길이를 구하여 선별할 수 있다. 그 다음 DNA 경로에 모든 정점이 포함되었는지를 검사한다. 이것은 단백진 분리도구인 Magnetic Bead를 통해서 정점의 DNA를 포함한 경로를 자기적으로 골라낸다. 마지막으로 위의 검사를 마친 뒤 최종적으로 남은 DNA 경로가 있으면 참, 없으면 거짓으로 나타낸다.

 

• 문제점과 해결 방안

1. 정보처리의 정확도 문제
 상보결합을 할 때 오류가 나지 않도록 해야 한다. 이는 DNA 코드를 더 정교하게 설계하거나 실험 기술을 개선하거나 아니면 아예 새로운 실험 방법을 개발함으로써 해결할 수 있다. 모델링 및 시뮬레이션 기술 개발을 통해서도 정확한 분자 코드를 개발할 수 있다.

2. 해 검출 문제
 DNA를 관찰, 조작, 검출할 때 현미경이 사용되는데 이와 관련된 광학 및 나노 기술이 발전되어야 한다.

3. 정보 처리 속도
 계산 속도는 빠르지만 단계간의 작업은 주로 수작업으로 이루어지기 때문에 전체 연산시간은 오래 걸린다. 실험과정을 자동화 하거나 일부 시간이 오래 걸리는 단계를 새로운 장비를 개발함으로써 단축시켜야 한다.

4. 입출력 문제
 현재는 데이터를 입출력하기에는 불편하다. 편의성과 효율성을 증대시키는 새로운 입출력장치를 개발할 필요가 있다.

5. 이 외에
 DNA 컴퓨터의 상용화를 위해서는 DNA 컴퓨팅 기술을 소형화 시킨 바이오칩과 응용 컨텐츠 개발이 필요하다. 큰 규모의 DNA를 합성하고 조작할 수 있는 기술이 개발되어야 한다. A와 T의 결합으로 0을, C와 G의 결함으로 1을 설정하여 데이터를 저장하는 DNA 저장 장치도 필요하다.

 

참조: 분자정보처리기술(Molecular Information Processing Technologies) , 장병탁(서울대학교 컴퓨터공학과 교수)