세포 기반 컴퓨터를 위한 하드 드라이브가 개발되다 Nature News



Cellular 'computers' gain a hard drive

인공 유전자 회로로부터의 다중입력을 기록할 수 있는 DNA 기반의 메모리가 개발되다.

Brendan Borrell

2014.11.14

생명공학자들이 DNA 기반의 기록장치를 이용하여 주변 환경으로부터 얻은 정보를 후에 사용가능한 형태로 저장할 수 있는 세포를 개발하는데 성공하였다. 이 '디자이너' 세포들은 앞으로 마을의 수질을 감시하거나 당 섭취량을 측정하는 일 등에 쓰일 수 있을 것이다. 이 기술은 Science지에 발표되었다.

DNA Tape Recorder (출처: The Scientist)

합성생물학(synthetic biology) 연구자들은 유전자들이 서로의 발현을 조절하여 컴퓨터 회로 내의 소자들과 같이 논리연산을 수행할 수 있도록 가공한다. 저장장치는 세포 컴퓨팅 기술의 가능성을 열어줄 가장 중요한 요소로 여겨져 왔다.


"유전자 회로를 만드려면 계산 및 논리연산 뿐 아니라 정보의 저장도 가능해야 합니다." 생명공학자인 Timothy Lu (the Massachusetts Institute of Technology in Cambridge)의 말이다. "DNA는 매우 안정한 형태의 저장정보이며 더 복잡한 컴퓨팅이 가능하도록 해 줄 것입니다."


이전의 시도에서는 데이터 저장소의 생성이 매우 어려웠다. 또한 감지된 입력의 유무만을 저장할 수 있어 활용처가 많지 않았다. 최근 논문에서 Lu와 그의 동료 Fahim Farzadfard는 여러 종류의 데이터를 동시에 기록하고 자동차의 주행기록기 처럼 시간에 따른 값의 누적을 기억할 수 있는 방법을 제시하였다. 저장된 정보는 DNA의 염기서열을 읽음으로써 해독할 수 있다. 그들은 이 기술을 SCRIBE (Synthetic Cellular Recorders Integrating Biological Events)라 부른다.


"또 하나의 멋진 도구가 추가된 샘입니다." 다른 방식의 기억장치를 개발했던 생명공학자 Jérôme Bonnet (프랑스, Montpellier 소재의 the Centre for Structural Biochemistry 소속)의 말이다. "합성생물학에서도 여러 종류의 저장장치들이 필요합니다. 컴퓨터에 하드 드라이브도 있고 램도 있는 것과 마찬가지죠."


살아있는 기억장치

이 연구진은 3년 전에 유전자 수정(gene editing)기술을 개선하려는 시도에서 시작하여 SCRIBE를 개발하게 되었다. 유전자 수정 기술은 세포들이 새로운 정보를 그들의 유전체에 입력하도록 길들이는 것이라 할 수 있다. 쉽게 생각할 수 있는 방식은 외가닥 DNA를 이용하는 것이다.


미생물의 유전체는 사람의 유전체와 같이 이중가닥 DNA로 이루어져 있다. 바이러스의 효소를 이용하여 외가닥 DNA를 미생물의 유전체 내로 집어넣는 것은 외가닥 DNA가 세포 내에 존재할 때만 가능하다. 하지만 대부분의 미생물들은 충분한 양의 외가닥 DNA를 생산하지 않는다.


Farzadfard와 Lu가 1984년에 발표한 논문에 따르면 토양균들은 수백 개의 외가닥 DNA를 가지고 있다. 이 DNA들은 retron(이중가닥 DNA로 이뤄져 있으며 고정되지 않은 채 세포 내를 떠돌아 다니는 구조체)에 의해 만들어진다. 


Retron의 본래 생물학적 기능은 아직 밝혀지지 않았다. 하지만 Farzadfard와 Lu는 retron을 리프로그래밍(reprogramming)하여 그들이 넣고자 하는 정보를 가진 외가닥 DNA를 생산할 수 있음을 발견하였으며, 바이러스로부터 얻어진 효소를 이용하여 이 정보를 미생물의 유전체에 저장하는 것이 가능하다는 것을 깨달았다.


이들의 최신 논문에서 Farzadfard와 Lu는 개념증명(proof-of-concept)을 위한 실험으로 유전적으로 변형된 대장균 군집(colony of Escherichia Coli)을 만들었는데, 이 대장균들의 retron은 특정 화합물이 있을 때 이에 반응하여 이 미생물의 유전체가 항생제에 대한 저항성을 갖도록 스위치를 켜는 역할을 한다. 화합물의 처리 시 군집 내에 있는 모든 E. Coli 세포들이 동일한 정도로 이러한 변형(transformation)을 일으키지는 않는다. 하지만 화합물의 농도가 더 높아지게 되면 더 많은 수의 세포들이 저항성을 얻게 된다.

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조명의 on/off 스위치처럼 디지털 형태의 정보를 저장했던 이전 방법들과는 달리 SCRIBE는 조광기(dimmer)의 스위치처럼 아날로그 형태의 정보를 다룰 수 있다. 정보는 하나의 대장균 세포가 아닌 대장균 군집 전체에 저장된다. "군집 전체에 걸쳐 정보가 배분, 저장되는 이 방식은 매우 강력한 도구가 될 수 있습니다."


Farzadfard와 Lu는 이 세포집단 상의 저장정보(collective cellular memory)가 보존되거나 수정될 수 있음을 확인하였다. 또한 빛의 감응하는 단백질(photosensitive protein)을 이용하면 빛을 통한 정보의 보존 및 수정이 가능함을 보여주었다. 또한 두 가지 정보를 동시에 기록할 수 있으며 좀 더 복잡한 과제를 수행하기 위한 대량화(scale up)도 어렵지 않음을 밝혔다.


Retron 기반의 유전자 수정 기술은 합성생물학의 범위를 넘어서서 강력한 영향력을 발휘할 것이다. 줄기세포를 연구하는 과학자인 Danwei Huangfu (New York City 소재의 the Memorial Sloan Kettering Institute 소속)는 이 기술이 당뇨병 치료를 위하 이식된 세포들 내의 유전자 발현을 조절하거나 이에 정교한 유전적 변형을 가하는데 쓰일 수 있을 것이라 말한다. "정말로 놀랍고 흥미로운 기술입니다." Danwei의 말이다. END



덧글

  • 동굴아저씨 2014/11/30 00:34 # 답글

    세포기반이라니 공상과학에서만 나오던 이야기가 현실이 되는군요.
  • hyunyi 2014/11/30 00:43 #

    그러게 말입니다. 근데 또 현실이 되면 금방 또 익숙해지는 거 같아요. 스마트폰도 그렇잖아요? ㅎㅎ
  • ㅂㄴㅂ 2015/12/12 21:44 # 삭제 답글

    제가 지금 이 논문 읽고있었는데 한글로 된 설명이 있다니...ㅠㅠ감격입니다. 큰 도움되었습니다~~ㅋㅋ아날로그 그림 확실히 이해하고 갈수있었어요!!
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