DNA 컴퓨터는, 실리콘 칩 대신 DNA의 화학적 성질을 이용해 계산이나 정보 저장을 하는 초소형 계산 시스템으로서, DNA는 에너지 없이 장기간 정보를 저장할 수 있지만, 계산을 실행하기 위한 안정적인 동력원을 찾는 것이 오랜 과제였다. 캘리포니아 공과대학 연구팀이 이 과제를 해결하는 새로운 방법으로, 열을 이용하는 기술을 개발했다.
DNA 컴퓨터는, 우리가 평소 사용하는 컴퓨터와는 근본적으로 다른 구조로 움직이는 계산기인데, 일반적인 컴퓨터가 실리콘 칩 위를 흐르는 전기의 온·오프를 이용해 계산하는 데 비해, DNA 컴퓨터는 DNA 분자가 가진 화학적 성질을 이용. 프로그램이나 데이터는 특정 염기서열을 가진 DNA 사슬 그 자체이며, 그것들이 시험관 안에서 설계대로 결합하거나 분리하는 화학반응의 연쇄가 '계산'에 해당한다.
DNA 컴퓨터의 장점은, 그 경이로운 정보 기록 밀도와 에너지 절약 성능이며, DNA는 아주 작은 분자이면서도 방대한 정보를 기록할 수 있고, 에너지를 거의 사용하지 않고도 그 정보를 수백만 년이라는 장기간에 걸쳐 안정적으로 저장할 수 있다고 알려져 있다. 그러나, 이 DNA 컴퓨터를 장시간 안정적으로 계속 움직이기 위해서는, 생물에서 아데노신 삼인산(ATP)과 같은 '보편적인 에너지원'이 필요했다.
캘리포니아 공과대학 연구팀은, DNA 컴퓨터를 열로 반복해 '충전'하는 획기적인 기술을 개발했다고 보고했는데, 이것에 의해, 종래에는 일회용이 기본이었던 복잡한 분자 회로를 장기간에 걸쳐 안정되게 동작시키는 것이 가능해진다.
이 기술은, 특정 DNA 가닥을 헤어핀이라고 불리는 접힌 구조로 설계해, 동적 트랩이라는 에너지가 저장된 상태를 만들어 내는 것. 이 헤어핀 구조는 외부에서 '입력'이 되는 다른 DNA 사슬이 가해지면 풀려서 계산이 실행되고, 계산이 끝난 회로를 95℃ 정도까지 가열하면, 모든 DNA의 결합이 풀리면서 단일 가닥 상태로 돌아간다.
그런 다음, 시스템을 냉각시키면, DNA 사슬은 에너지적으로 가장 안정적인 상태가 아니라, 원래의 헤어핀 구조로 빠르게 돌아간다. 이로 인해, 회로는 다시 계산이 가능한 고에너지 상태로 '충전'된다는 것인데, 이 가열과 냉각의 사이클은 몇 분 만에 완료되어, 화학적인 연료와 달리 유해한 폐기물을 축적시키지 않기 때문에, 성능을 떨어뜨리지 않고 반복적으로 이용할 수 있는 것이 포인트.
게다가, 연구팀은 이 기술의 유효성을 보여주기 위해, DNA 컴퓨터를 사용해 100비트의 입력을 가진 DNA 신경망을 구축해, 손으로 쓴 숫자 '6'과 '7'을 올바르게 분류시키는 실험을 실시.
이 실험에서는, 다른 수기 숫자의 패턴을 연속으로 10회 입력해, 그때마다, 열에 의한 리셋과 재충전을 실시한 결과, 시스템은 성능을 유지한 채 10라운드에 걸쳐 안정적이고 올바른 분류를 계속했다는 것. 연구팀은 "이 실험 결과는 이번 기술이 단순한 회로뿐만 아니라, 200가지 이상의 분자가 관련된 대규모로 복잡한 시스템에도 응용 가능하다는 것을 증명하고 있다"고 밝혔다.
다만, 리셋을 위해 반복적으로 DNA를 고온에 노출시킴으로써, DNA 자체가 분해되는 문제가 있다는 것. 실험에서 리셋을 100회 반복하면, 특히 가열 시간이 길면 계산 성능이 명백히 저하되는 것이 확인되었는데, 연구팀은 1분간 가열하면, 리셋 횟수의 상한은 1000회 정도가 될 것으로 예측하고 있다. 또, 계산 속도를 올리기 위한 설계를 실시하면, 리셋의 성공율이 떨어지는 경향이 있었다 하면서, 연구자들은 속도와 재사용성의 균형을 고려해 최적의 설계를 선택할 필요가 있을 것이라고 말하고 있다.
뉴캐슬대 생물계산 엔지니어인 나타리오 클래스의 골 씨는 이번 연구에 대해, "캘리포니아공대 연구팀이 개발한 기술은, 온도만 바꿔도 리셋할 수 있다는 사실이 교묘합니다. 온오프 스위치로 사용할 수 있어 매우 심플하기 때문에, 훌륭하네요"라고 평가. 한편, 케임브리지 대학에서 DNA 컴퓨팅을 연구하는 로스 킹씨는, 「열이 DNA 컴퓨터의 에너지원이 되는 것은 흥미롭다고 생각합니다만, ATP등의 분자를 사용하면, 같은 것을 더 잘 할 수 있습니다」라고 코멘트.
