DNA 상분리를 이용한 분자연산 가속화 플랫폼 개발

- DNA 컴퓨팅, 분자진단 분야에 기여할 것으로 기대

▲ (좌측부터) 서울대학교 기계공학부 신용대 교수, 김도년 교수, 도성호 박사과정(1저자), 이찬석 박사(1저자)

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 기계공학부 신용대, 김도년 교수 공동 연구팀이 상분리 현상을 활용해 분자진단 및 DNA 연산 가속화를 위한 핵심 원천기술을 개발했다고 밝혔다.

DNA는 그 서열에 대용량의 정보를 저장할 수 있는 동시에 DNA 분자 간의 상호작용을 쉽게 프로그래밍할 수 있는 장점이 있어 분자연산에 매우 적합한 후보 물질로 연구되어왔다.

DNA 연산은 용액 내에서 많은 수의 연산이 동시에 병렬적으로 진행되는 강점을 가지지만, 개별 계산의 속도가 느리다는 단점이 있었다.

이러한 단점 극복을 위해 연구팀은 세포 내 상분리 현상에 착안하였다. 물과 기름이 서로 섞이지 않고 두 개의 다른 액체상으로 공존하는 현상을 상분리(phase separation)라고 하는데, 최근 세포 내부의 다양한 생체분자들이 상분리를 통해 여러 응집체를 이루고, 이러한 응집체의 이상이 암질환이나 퇴행성 신경질환과 밀접한 관련이 있음이 알려져 의생명과학계의 큰 관심을 받고 있다.

▲ 일상 속 액체-액체 상분리 현상의 예시와 DNA 스캐폴드 기반 상분리 응집체 플랫폼의 개념도

연구팀은 세포 내 상분리 현상과 유사하게 작동하는 DNA 구조체를 설계하여 상분리를 유도하였고, 상분리를 통해 형성된 액체 방울 형태의 응집체 내부에 특정 DNA 분자를 선택적으로 농축시킬 수 있음을 보였다.

연구진은 DNA 응집체 내부에 DNA 분자연산 요소를 농축시킴으로써 논리 회로 연산을 수십배 가속화할 수 있음을 확인하였다.

또한, 한발 더 나아가 여러 병렬 연산 중 특정 연산을 선택적으로 응집체에 특화시켜 가속화할 수 있음을 보여 본 연구에서 개발한 상분리 기반 분자 연산 가속화 기술이 여러 분자 연산에 범용적으로 적용될 수 있음을 보였다.

▲ DNA 스캐폴드 기반 상분리 응집체를 통한 분자 연산 가속화 예시

DNA 분자연산은 생체분자 센싱, 패턴인식, 질병 진단, 현장 검사 등에 광범위하게 활용될 수 있으며, 본 연구진의 이번 성과는 향후 DNA 분자 연산에 기반한 여러 응용 분야에 폭넓게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 본 연구 결과는 이러한 성과를 인정받아 세계적인 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재되었으며, 과학기술정보통신부 과학난제도전 융합연구개발사업(인공모포제네시스 연구단) 및 이공분야기초연구사업의 지원을 받아 수행되었다.

[문의사항]

서울대학교 공과대학 기계공학부 신용대 교수 / 02-880-7388 / ydshin@snu.ac.kr

서울대학교 공과대학 기계공학부 김도년 교수 / 02-880-1647 / dnkim@snu.ac.kr