‘컴퓨터’라 하면 흔히들 반도체나 전자장치를 떠올린다. 그러나 생체컴퓨터(biological computer)는 납땜이나 전선이 전혀 없다. 생물체의 유전자(DNA) 속 분자로 만들어지기 때문이다.
화학분야 국제학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 온라인판 최근호에는 ‘DNA 컴퓨팅을 이용한 분자 차원의 이미지 해독시스템 개발(A Molecular Cryptosystem for Images by DNA Computing)’이라는 제목의 논문이 게재됐다.
실험은 미국 스크립스 연구소(TSRI, The Scripps Research Institute)와 이스라엘 공과대학의 테크니온(Technion) 연구소가 공동으로 진행했으며, 생체 성분을 이용해서 초기 컴퓨터의 기본원리를 그대로 재현했다는 점에서 화제를 모은다.


튜링머신 방식으로 작동하는 생체컴퓨터

천재수학자 앨런 튜링(Allan Turing)은 24세가 되던 1936년 ‘튜링 머신’이라는 이름의 장치를 고안한다. 네모칸이 그려진 긴 종이테이프를 입력하면 글자와 기호를 인식하고 반응하기 때문에 ‘현대 컴퓨터의 원조’로 불린다.
부품은 의외로 간단하다. 종이테이프의 각 네모칸에는 알파벳이나 기호가 한 글자씩 기록되어 있다. 장치의 헤드가 칸마다 멈춰 글자를 읽고 그에 적합한 결과값을 또 다른 글자로 기록한다. 여기까지가 하드웨어다. 입력된 정보를 처리하는 방식을 정해놓은 규칙이 소프트웨어다. 입력값이 ‘A’라면 다음 칸으로 넘어가라, ‘B’라면 지워버려라, ‘C’라면 숫자 5를 기록하라 등의 명령어를 정하는 것이다.
헤드가 움직이며 입력값을 읽고 규칙에 따라 행동해서 결과값을 산출하는 방식, 즉 하드웨어와 소프트웨어, 입력과 출력이라는 4가지 구성요소로 이루어진 구조는 오늘날의 컴퓨터에까지 이어진다. 1과 0으로 이루어진 이진수를 입력하면 계산과정을 거쳐 그림이나 글자로 결과를 보여주는 것이다.
스크립스 연구소와 테크니온 연구소가 개발한 생체 컴퓨터도 튜링머신과 비슷한 방식으로 움직인다. 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T) 등 사슬처럼 연결되어 유전자를 이루는 4가지의 염기를 입력정보로 인식해 처리하는 것이다. 기다란 종이테이프에 연달아 새겨진 글자를 읽고 반응하는 것과 유사하다.
생체컴퓨터의 소프트웨어는 효소(enzyme)다. 유전자 속 염기마다 반응하는 효소가 제각각 다르기 때문에 특정 염기만을 골라내고 싶다면 그에 맞는 효소를 주입하면 된다. 생체분자들을 뒤섞어 놓아도 주입된 효소의 종류에 맞는 분자들만 반응한다.
일반 컴퓨터가 전기로 작동하듯 생체컴퓨터도 에너지원이 필요하다. 실험에서는 아데노신3인산(ATP) 성분이 사용됐다.


효소와 생체분자 결합해 계산결과 산출

생체컴퓨터의 성능을 알아보기 위해 연구진은 두 연구소의 로고를 이용했다. 로고 속 그림과 글자의 모양에 따라 생체분자들을 배열하는 방식으로 암호화한 후 효소를 주입해 반응을 살펴보는 식이다.
결과는 성공적이었다. 두 로고를 하나로 합치는 바람에 좀처럼 알아보기 어려운 모양이 됐지만, 생체컴퓨터는 양쪽에 심어진 생체분자들을 정확히 인식하고 두 개의 로고로 완벽히 분리해냈다. 맨 왼쪽이 두 로고를 하나로 합친 실험재료이고, 오른쪽의 두 그림은 생체컴퓨터가 분리해낸 결과물이다.
용기가 커질수록 효소와 생체재료를 더 많이 넣을 수 있으므로 그만큼 속도가 빨라진다. 전기가 필요 없기 때문에 에너지 소모도 덜하고, 정전이 된다고 해서 정보가 사라지는 일도 없다. 각 효소는 정해진 염기와만 반응하므로 계산결과도 정확하다.
연구를 이끈 에허드 케넌(Ehud Keinan) 교수는 논문에서 “한정된 공간 안에 더 많은 생체분자를 배열할 수 있다면 속도를 훨씬 더 빠르게 만들 수 있다”며 미래 컴퓨터 환경이 바뀔 수도 있음을 시사했다.