DNA 기술은 데이터 저장과 컴퓨팅 기능을 모두 제공합니다

노스캐롤라이나 주립대와 존스홉킨스대 연구자들은 기존 전자기기가 아닌 DNA를 사용하여 데이터 저장 및 컴퓨팅 기능(데이터를 반복적으로 저장, 검색, 컴퓨팅, 지우기 또는 다시 쓰기)을 수행할 수 있는 기술을 시연했습니다. 이전의 DNA 데이터 저장 및 컴퓨팅 기술은 이러한 작업 중 일부를 완료할 수 있었지만 전부는 완료할 수 없었습니다.

"기존 컴퓨팅 기술에서는 데이터가 저장되는 방식과 데이터가 처리되는 방식이 서로 호환된다고 여깁니다."라고 이 연구에 대한 논문의 공동 책임 저자인 프로젝트 리더 Albert Keung이 말했습니다. "하지만 실제로 데이터 저장과 데이터 처리가 컴퓨터의 별도 부분에서 수행되고 현대 컴퓨터는 복잡한 기술의 네트워크입니다." Keung은 NC State의 화학 및 생물 분자 공학과 조교수이자 Goodnight Distinguished Scholar입니다.

Keung은 "DNA 컴퓨팅은 데이터가 핵산 형태로 저장될 때 저장, 검색 및 계산하는 방법의 과제에 직면해 왔습니다."라고 말합니다. "전자 컴퓨팅의 경우 장치의 모든 구성 요소가 호환된다는 사실은 이러한 기술이 매력적인 이유 중 하나입니다. 그러나 지금까지 DNA 데이터 저장이 장기 데이터 저장에 유용할 수 있지만 기존 전자 장치에서 발견되는 모든 범위의 작업을 포함하는 DNA 기술을 개발하는 것은 어렵거나 불가능할 것이라고 생각되어 왔습니다. 즉, 데이터 저장 및 이동, 특정 데이터 파일을 읽고, 지우고, 다시 쓰고, 다시 로드하거나 계산하는 기능, 이 모든 작업을 프로그래밍 가능하고 반복 가능한 방식으로 수행하는 것입니다.

"우리는 DNA 기반 기술이 실행 가능 하다는 것을 증명했습니다 . 우리가 그 기술을 만들었으니까요."

이 새로운 기술은 독특한 형태를 가진 부드러운 폴리머 소재를 만드는 최신 기술 덕분에 가능해졌습니다.

"구체적으로, 우리는 덴드리콜로이드라고 부르는 폴리머 구조를 만들었습니다. 이 구조는 마이크로 스케일에서 시작하지만 계층적 방식으로 서로 갈라져 나노 스케일 섬유 네트워크를 만듭니다." NC State의 화학 및 생물 분자 공학과 S. Frank 및 Doris Culberson 명예 교수이자 공동 책임 저자인 Orlin Velev가 말했습니다. "이 형태는 표면적이 큰 구조를 만들어 DNA를 나노 섬유 사이에 증착할 수 있게 하면서도 원래 데이터 저장에 DNA를 매력적으로 만드는 데이터 밀도를 희생하지 않습니다."

Keung은 "연필 지우개만한 크기의 DNA 기반 저장장치에 노트북 천 대 분량의 데이터를 저장할 수 있다"고 말합니다.

"DNA 정보를 저장된 나노섬유와 구별하는 능력은 전자 기기에서 할 수 있는 것과 동일한 많은 기능을 수행할 수 있게 해줍니다." 논문의 제1저자이자 NC State의 전 박사과정 학생인 케빈 린의 말입니다. "DNA를 손상시키지 않고 재료 표면에서 직접 DNA 정보를 복사할 수 있습니다. 또한 대상 DNA 조각을 지운 다음 하드 드라이브에 저장된 정보를 삭제하고 다시 쓰는 것처럼 같은 표면에 다시 쓸 수도 있습니다. 기본적으로 DNA 데이터 저장 및 컴퓨팅 기능의 전체 범위를 수행할 수 있게 해줍니다. 또한 덴드리콜로이드 재료에 DNA를 증착하면 재료가 DNA를 보존하는 데 도움이 된다는 것을 발견했습니다."

"Keung의 팀은 마이크로 회로와 동등한 것을 제공하고, 제 팀이 만든 수지상 콜로이드 물질은 회로 기판을 제공한다고 할 수 있습니다."라고 Velev는 말합니다. "NC State의 협력자인 Adriana San Miguel은 우리가 핵산과 시약의 흐름을 지시하는 마이크로 유체 채널에 물질을 통합하여 데이터를 이동하고 컴퓨팅 명령을 시작할 수 있도록 도왔습니다. Johns Hopkins의 Winston Timp 연구실은 나노포어 시퀀싱에 대한 전문 지식을 제공했으며, 이를 통해 물질 표면의 DNA에서 데이터를 복사한 후 RNA에서 직접 데이터를 읽을 수 있습니다. 그리고 NC State의 James Tuck 연구실은 잠재적 오류를 제어하면서 데이터를 핵산 ​​시퀀스로 변환하고 그 반대로 변환할 수 있는 알고리즘을 개발했습니다."

연구자들은 새로운 데이터 저장 및 컴퓨팅 기술(그들이 "원시 DNA 저장소 및 컴퓨팅 엔진"이라고 부름)이 간단한 수도쿠와 체스 문제를 풀 수 있다는 것을 입증했습니다. 그리고 테스트 결과, 상업적으로 이용 가능한 공간에서 수천 년 동안 안전하게 데이터를 저장할 수 있으며 정보를 저장하는 DNA를 손상시키지 않을 수 있습니다.

"게다가, 덴드로콜로이드 호스트 재료 자체는 비교적 저렴하고 제작하기 쉽습니다."라고 벨레브는 말합니다.

Keung은 "분자 데이터 저장 및 계산에 대한 기대가 많지만, 이 분야가 얼마나 실용적인지에 대한 상당한 의문이 제기되었습니다."라고 말합니다. "우리는 컴퓨팅의 역사와 ENIAC의 탄생이 이 분야에 영감을 준 방식을 되돌아보았습니다. 우리는 분자 컴퓨팅 분야에 영감을 줄 무언가를 개발하고 싶었습니다. 그리고 우리가 여기서 한 일이 그 방향으로 나아가는 한 걸음이 되기를 바랍니다."

논문 "원시 DNA 저장소와 컴퓨트 엔진"은 8월 22일 저널 Nature Nanotechnology 에 게재될 예정 입니다. 이 논문은 NC State의 전 박사 과정 학생인 Kevin Volkel과 Andrew Clark, NC State의 박사 과정 학생인 Cyrus Cao와 Rachel Polak, NC State의 화학 및 생물 분자 공학과 조교수인 Adriana San Miguel, NC State의 전기 및 컴퓨터 공학과 교수인 James Tuck, Johns Hopkins University의 생물의학 공학과 조교수인 Winston Timp, Johns Hopkins의 박사후 연구원인 Paul Hook이 공동 저술했습니다.

이 연구는 국가과학재단의 지원금 2027655와 1901324로 수행되었습니다.

Keung과 Tuck은 DNAli Data Technologies의 공동 창립자이므로 DNA 기반 정보 시스템을 번역하고 상용화하는 데 잠재적인 관심이 있습니다. Keung, Volkel, Tuck, Lin은 특허 출원 WO 2020/096679의 발명가이며, DNAli Data Technologies에 라이선스가 부여되었고 이 작업의 일부가 여기에서 파생되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240822125956.htm