연구진, 전기 없이 100비트 계산을 수행하는 DNA 컴퓨터 개발 — 자기 조립 가닥으로 연산하는 분자 시스템

AI 요약

아일랜드 Maynooth University 연구진이 DNA 가닥을 연산 장치로 사용하는 분자 컴퓨터를 개발했습니다. Scaffolded DNA Computer(SDC)라고 부르는 이 시스템은 실리콘 컴퓨터처럼 전압을 전환하는 대신 DNA 분자 사이의 결합과 해리를 이용해 정보를 처리합니다. 연구진은 이 장치가 전기 없이 복잡한 계산을 수행했으며, 10개의 서로 다른 분자 프로그램과 100비트 계산을 성공적으로 실행했다고 보고했습니다. 연구 결과는 9월 16일 학술지 Nature에 게재됐습니다.

■ DNA origami로 만든 계산 격자

SDC의 구조는 DNA origami 기법으로 설계합니다. 연구진은 전문 소프트웨어를 이용해 긴 주 DNA 가닥 하나와 이를 특정한 형태로 접어 고정하는 수백 개의 짧은 맞춤 합성 staple 가닥을 설계했습니다. 이후 이 DNA 가닥들을 소량의 물과 소금이 들어 있는 시험관에 넣고 가열한 다음 냉각했습니다. 온도 변화가 일어나면 긴 가닥이 구조적 scaffold 역할을 하는 가운데, 짧은 가닥들이 서로 결합하면서 정렬된 미세한 계산 격자를 자발적으로 구성합니다.

실리콘 컴퓨터에서는 transistor가 전기 전압을 1과 0으로 전환하면서 정보를 처리합니다. SDC에서는 DNA를 구성하는 네 가지 염기인 A, T, C, G 사이의 결합과 해리가 그에 해당하는 정보 처리 과정이 됩니다. 연구진은 계산에 사용할 프로그램을 DNA 서열 자체에 미리 기록하고, 이를 시험관에 넣은 뒤 열을 가합니다. 열에너지가 화학 반응을 시작하면 DNA 가닥들이 재배열되고, 분자들은 물리적으로 더 안정적인 구조를 향해 이동합니다. 최종적으로 형성된 구조가 프로그램된 알고리즘의 수학적 결과를 나타냅니다.

■ 10개 프로그램과 100비트 계산

연구진은 시스템을 검증하기 위해 10개의 서로 다른 분자 프로그램을 실행했습니다. SDC는 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈을 수행했으며 100비트 계산도 처리했습니다. 원문은 이를 복잡한 데이터를 오류 없이 안정적으로 처리할 수 있음을 보여주는 결과로 설명합니다. 또한 시스템이 물리 법칙에 의해 제한되는 방식으로 동작하기 때문에 별도의 error-correction software가 필요하지 않다고 연구진은 주장합니다.

이 연구는 SDC가 단순히 DNA에 데이터를 저장하는 수준을 넘어, DNA의 구조 변화 자체를 계산 과정으로 사용한다는 점에 의미가 있습니다. 연구진은 이 기술이 장기 데이터 저장, 에너지 효율적인 계산, 향후 세포 내부에서 작동하는 분자 시스템으로 이어질 가능성을 제시했습니다. 세포 내부의 분자 시스템은 질병 감지와 같은 응용에 활용할 수 있다는 설명입니다. 다만 원문에서 제시된 결과는 특정한 시험관 조건에서 수행한 10개 프로그램과 100비트 계산에 관한 것이며, 범용 컴퓨터를 대체할 성능이나 실제 응용 단계까지 도달했다는 내용은 아닙니다.

■ 전기 없이 계산한다는 표현의 범위

기사에서는 SDC의 계산이 화학 반응으로 진행되므로 전기를 사용하지 않는다고 설명합니다. 아일랜드에서는 데이터센터가 2025년 국가 전력의 23%를 소비했다는 수치도 함께 제시하며, 전력 소비가 큰 기존 computing infrastructure와 대비되는 가능성을 강조합니다. 그러나 실제 실험에는 DNA 혼합물을 가열하고 냉각하는 단계가 포함됩니다. Reddit 토론에서도 반복적인 가열과 냉각에 에너지가 필요한데 이를 어떻게 전기 없는 계산이라고 부를 수 있느냐는 지적이 나왔습니다. 따라서 여기서 말하는 zero electricity는 DNA 분자 사이의 화학적 연산 과정에 전기 회로를 사용하지 않는다는 의미로 읽을 수 있으며, 샘플의 준비·가열·냉각과 결과 판독을 포함한 전체 시스템의 에너지 소비가 0이라는 뜻으로 확장해서는 안 됩니다.

■ Reddit 반응

• @u/deeptechdegen — 이제 데이터센터를 더 이상 지을 필요가 없겠네요. 우리가 데이터센터가 되면 됩니다.

• @u/livestrong2109 — 여보, ATP 요금을 또 내는 것을 잊었나요. 바이오 PC가 켜지지 않습니다.

• @u/SelectiveScribbler06 — 연구진은 DNA origami라고 알려진 기법으로 컴퓨터를 설계했습니다. 전문 소프트웨어를 사용해 긴 주 DNA 가닥 하나와 수백 개의 짧은 맞춤 합성 staple 가닥을 배치했습니다. 그런 다음 물과 소금 한 방울이 들어 있는 시험관에 실제 DNA 가닥을 넣었습니다. 혼합물을 가열한 뒤 냉각하자 가닥들이 자기 조립해 고도로 조직화된 미세한 계산 격자를 만들었고, 긴 가닥은 구조적 scaffold 역할을 했습니다. 전통적인 실리콘 컴퓨터는 transistor를 사용해 전기 전압을 1과 0 사이에서 전환합니다. 반면 이 분자 컴퓨터는 유전 염기쌍 A, T, C, G의 결합과 해리를 사용해 정보를 처리합니다. 연구진은 DNA 가닥을 시험관에 넣고 열을 가하기 전에 DNA 서열 자체에 프로그램을 기록합니다. 열에너지가 화학 반응을 시작하면 DNA 가닥들이 재배열됩니다. 분자들이 자연스럽게 가장 안정적인 구조 상태로 이동하면서 프로그래밍된 알고리즘을 수학적으로 풀고, 최종 구조가 수학적 답을 나타냅니다. 연구진은 시스템을 시험하기 위해 10개의 서로 다른 분자 프로그램을 실행했습니다. DNA 컴퓨터는 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈을 성공적으로 수행했습니다. 또한 100비트 계산을 처리해 복잡한 데이터를 오류 없이 안정적으로 다룰 수 있음을 보여줬습니다. 이 시스템은 물리 법칙에 의해 제한되므로 error-correction software가 필요하지 않습니다.

• @u/Xaxiel9106 — 이게 Shoggoth로 가는 첫 단계 아닌가요? Shoggoth가 생기는 방식이 분명 이럴 것 같습니다.

• @u/Cheerful2_Dogman210x — 인간이 자신을 biocomputer로 바꿀 수 있는지 궁금합니다. 기기를 몸 안에 꽂으면 별도 노트북이 필요 없겠네요.

원문: Tom's Hardware / 번역·요약: Trawling