미국 캘리포니아 스크립스 연구소와 이스라엘 테크니션 연구소의 연구진들이 DNA칩상의 암호화된 이미지를 복호화할 수 있는 생체분자로 구성된 바이오 컴퓨터를 개발하여 선보였다. DNA가 과거에는 암호화에만 사용되었지만, DNA 컴퓨팅에 기반을 둔 이미지에 대한 분자적 암호화 체계에 대한 실험적 증명을 최초로 선보였다는 데에 의의가 있는 것으로 전해진다.
본 연구결과는 Angewandte Chemie 저널의 온라인 버전 최신호에 게재되었다. 기존 컴퓨터 하드웨어를 사용하는 대신에, 바이오 분자를 사용하는 컴퓨터 시스템을 새로이 개발하였다. 본 바이오컴퓨터에 적절한 소프트웨어가 적용되어 참여 연구기관의 산뜻한 이미지 로고를 복호화할 수 있었던 것으로 전해진다.
생물학과 컴퓨터학이라는 서로 분리되어 있는 두 영역을 결합하여 진행된 본 연구에서 컴퓨터 자체가 하드웨어, 소프트웨어, 입력장치, 출력장치라는 네 가지 요소로 구성된 기계로 정의되었는데, 하드웨어 장치의 경우 금속성 요소와 플라스틱, 전선, 트랜지스터로 구성된 복합체이고, 소프트웨어는 전기적 시그널 형태로 해당 기계 내에 주어진 명령어 시퀀스를 수행할 수 있는 장치로 구성되어 제시되었다.
기존의 전자적 방식의 컴퓨터와 다르게, 이번에 개발된 시스템은 네 가지 요소 모두 분자적인 구조로만 이루어져 있다고 연구 관계자는 말한다. 예를 들어, 모든 생물학적 시스템과 심지어 전체적인 생물학적 유기체들이 컴퓨터 시스템의 구성요소를 이루고 있고, 네 가지 요소들이 분자의 형태로 결합되어, 논리적으로 상호간에 대화가 수행될 수 있도록 구성되어 있다.
이와 같은 기기 상에서 하드웨어와 소프트웨어는 사전에 정의된 화학적인 작업을 상호간에 수행하고 활성화시킬 수 있는 복합적인 생물학적 분자요소로 구성되어 있는데, 입력장치는 소프트웨어적인 특정 규칙 가운데, 사전에 정의된 변화적인 요인들을 수행할 수 있도록 만들어져 있고, 화학적 계산 프로세스의 출력요소들은 다른 형태의 정의된 분자요소로 이루어져 있는 것으로 전해진다.
바이오컴퓨터가 어떤 형태로 보이는지에 관한 부분에 있어서 정확히 발광성의 성질은 가지고 있지 못하다고 말하면서, 화학적 요소를 튜브상의 솔루션으로 혼합해 다양한 소규모 DNA 분자들이 선택된 DNA 효소와 ATP로 구성된다고 제시된다. 후자의 경우에는 본 기기의 에너지 동력이 될 수 있는 것으로 또한 전해진다.
분자들이 상호작용면서, 연구진들은 무엇이 발생하는지 관찰할 수 있었다고 제시하고 있는데, DNA 유형과 혼합된 효소들에 있어서, 연구진은 바람직한 결과를 산출할 수 있도록 해당 프로세스를 조율하는 과정까지 수행하고 있다. 연구진들은 자신들이 개발한 바이오 컴퓨팅 디바이스가 영국의 수학자이면서 암호학자이고 컴퓨터 공학자인 Alan Turing이 설계한 75년 된 방식에 기반을 두고 있다고 말하고 있는데, Alan Turing은 컴퓨터공학 발전에 커다란 공헌을 하였고, 알고리즘과 컴퓨팅 개념을 공식화하는데 기여를 하여 현대 컴퓨터 공학 개발에 초석을 놓은 인물로 평가되고 있다.
Turing은 자신의 모델을 사용하여 전 세계에 존재하는 모든 종류의 계산 기능을 수행할 수 있다고 제시하고 있는데, Turing 머신의 입력 값들은 일련의 심벌과 문자로 이루어진 커다란 테이프 형태였는데, 마치 DNA 스트링을 연상시키고 있다. 리딩 헤드 부분은 한 문자에서 다른 문자로 운영되고, 각각의 스테이션은 다음과 같은 네 가지 액션을 담당하는데, 1) 문자를 읽고, 2) 문자를 다른 문자와 대체하고, 3) 내부 상태 값을 변환시키고, 4) 다음 포지션으로 이동하는 역할이다.
변이형 규칙 혹은 소프트웨어로 알려진 명령어 테이블은 이와 같은 액션들을 나타낸다. 연구진이 개발한 디바이스는 제한된 상태의 자동화 모델에 기반을 두면서 Turing 머신의 단순화된 형태를 취하고 있다.
이번에 개발된 생물학적 컴퓨팅 기기가 가지는 유효성에 대하여 관계자들은 다음과 같이 평가하고 있다. 바이오 컴퓨팅 기기에 대한 증가하고 있는 관심들은 이와 같은 기기가 기존의 전자 컴퓨터의 대체물이 될 수 있다는 단순한 바람 때문이기 보다는 기존의 컴퓨팅에서 제공하던 방식보다 더 빠른 스피드, 정확성, 파워를 제공할 수 있었기 때문이라고 평가한다. 전기 컴퓨터 대비 바이오 컴퓨팅 기기의 가장 큰 장점은 이와 같은 특징들을 고려하여야 함을 제시한다.
DNA 분자 조직 내에 상당한 분량의 정보가 저장되고 암호화될 수 있는데, 각각의 컴퓨팅 단계가 전기 컴퓨터내의 전자 플로보다 느릴 수 있지만, 1조개 이상의 화학적 단계들이 전체 컴퓨팅 프로세스를 보다 빠르도록 만든다는 점이 주요 장점으로 평가된다. 기존의 마이크로 배열 기술은 단일 칩내에 수백만 개의 픽셀을 프린팅 하는 것이 가능하도록 만들었고, 이와 같은 칩에서 암호화된 이미지 숫자를 천문적으로 크게 만들 수 있었다.
본 연구진이 수행한 다른 연구에서, 이와 같은 기기들은 생물학적 시스템뿐 아니라 살아있는 유기체 조직과도 상호작용이 가능하다고 언급하고 있다. 하드웨어, 소프트웨어, 입력장치, 출력장치를 포함한 분자형 컴퓨터의 모든 구성요소들이 프로그래밍 가능한 화학적 이벤트들의 단계들을 따라 솔루션상의 상호작용이 가능한 분자들로 구성되어 있어서 요구되는 특정 인터페이스가 존재하지 않는다. 정보를 저장할 수 있는 DNA의 능력으로 인하여, 주요 컴퓨터 기업들은 DNA 기반의 컴퓨팅 시스템 개발에 관심을 두고 있는 상황이다.
"A Molecular Cryptosystem for Images by DNA Computing;DNA 컴퓨팅 이미지를 위한 분자형 암호 시스템"이라는 제목의 본 연구는 미국 NSF와 이스라엘-영국 관련 연구재단의 후원을 받아 이루어졌다.
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