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DNA 정보 저장

DNA as data storage

개요

말그대로 DNA를 정보 저장 매체로 활용하는 것. 현대에 와서 DNA에 임의의 정보를 집어넣어서 다시 복원하는 기술이 개발되고 있지만, 디지털 정보가 아닌 일반적으로 이야기하는 '정보'를 얘기한다면 아이러니컬하게도 DNA 자체는 역사상 가장 오래된 정보 저장 장치라고 할 수 있다. 몇몇 특수한 생명체(바이러스)를 제외하면 지구상의 모든 생명은 DNA에 새겨진 정보에 따라 만들어졌기 때문이다.

DNA

DNA

Deoxyribonucleic acid

디옥시리보 핵산.

과학용어 중 가장 대중에게 친숙한 개념.

흔히 DNA하면 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 많이 언급되어 이 두 사람이 DNA를 발견했다고 생각하기 쉬우나 DNA 자체는 스위스의 프리드리히 미셔(Friedrich Miescher)가 1869년에 이미 관측했다. 다만 이때는 세포의 핵 안에서 발견되어 처음에 뉴클레인(nuclein)이라고 명명되었다. 그리고 1953년 왓슨과 크릭은 베일에 싸여 있던 DNA의 구조를 밝혀냈는데, 그것이 바로 잘 알려진 이중나선 구조이다.

세포 속에 핵이 있고, 핵 속에는 염색체가 있다. 그리고 염색체 안에 엄청나게 꼬여 있는 것이 바로 DNA이다. 이 DNA에는 해당 생명을 만드는 모든 정보가 저장되어 있다. 그리고 순진한 분자들은 이 정보에 따라 조립되어 결국 한 생명이 탄생한다. 말그대로 '무'에서 '유'를 창조하는데 꼭 필요한 요소라는 것이다.

DNA의 구조

DNA는 크게 뼈대와 뼈대 사이사이를 잇는 핵염기로 구성되어 있다. 핵염기는 아데닌, 티민, 시토신, 구아닌으로 이루어진다. 그리고 아데닌은 항상 티민과 연결되고(A-T / T-A), 시토신은 항상 구아닌과 연결된다(C-G / G-C).

핵염기는 크게 퓨린purine과 피리미딘pyrimidine으로 나눠지며 퓨린에 아데닌, 구아닌이 포함된다. 피리미딘은 나머지 시토신과 티민, 그리고 우라실이 있는데 이 중 우라실은 RNA에만 존재하는 것으로 DNA에는 빠져 있다.

DNA가 이중나선을 이룰때 퓨린과 피리미딘만이 서로 수소결합을 통해 연결되므로 같은 퓨린인 아데닌, 구아닌은 서로 연결될 수 없으며 마찬가지로 같은 피리미딘인 시토신과 티민은 연결될 수 없다. 이에 따라 DNA의 연결은 A-T / C-G로만 이루어지는 것이다. 수소결합은 DNA의 결합을 탄탄히 하는 역할을 하며 A-T사이에는 2개의 수소결합이, G-C사이에는 3개의 수소결합이 존재한다.

이러한 독특한 특성을 상보성이라고 하는데, 이 상보성 덕분에 DNA가 정보를 효율적으로 저장할 수 있게 된다.

또 DNA는 일반적으로 알려진 오른쪽으로 꼬인 B-DNA의외에 더욱 빽뺵한 A-DNA와 반대방향으로 꼬인 Z-DNA 3종류가 있다.

맨 왼쪽이 복잡한 A-DNA, 가운데가 B-DNA, 맨 오른쪽이 Z-DNA이다.

이중 B-DNA가 유명한 것은 이것이 가장 일반적인 DNA의 형태이기 때문이다. 나머지는 특수한 상황에서 나타나는 변형(?)DNA이다.

정보 저장 수단으로써의 DNA

DNA를 '디지털' 정보를 저장하는 수단으로 사용하자는 아이디어는 사실 꽤 오래전부터 있었다. DNA의 구조가 밝혀진지 10년 정도 지난 1964~65년에 소련의 물리학자, 네이만이 DNA의 분자구조를 이용해 디지털 정보를 기록, 저장 및 검색하는 아이디어를 소련의 Radioteknika 저널에 발표한 것이다.

Mikhail Samoilovich Neiman(1905.3.7 ~ 1975.6.25)

미하일 사모로비치 네이만

이 사람이 DNA 저장 장치의 효시라고 할 수 있다. 즉, 생명 또한 정보로 이루어져 있으니 충분히 데이터를 저장할 수 있다는 아이디어를 낸 것이다.

원리

DNA에 정보를 저장하는 원리는 현재 우리가 컴퓨터에 정보를 저장하는 원리와 크게 다르지 않다. 컴퓨터는 이 세상의 모든 것을 이진법으로만 인식하게 된다. 컴퓨터의 데이터는 오직 0과 1로만 이루어져 있기 때문이다. 이렇게 보면 DNA는 4진법을 사용하는 컴퓨터라고 볼 수 있다. DNA를 구성하는 요소는 A, C, G, T이기 때문이다.

예를 들어 만약 2017이라는 숫자를 4진법으로 표현하면 133201이된다.

이때

A = 0

C = 1

G = 2

T = 3

으로 둔다면 2017은 CTTGAC로 변환가능하다. 이런식으로 컴퓨터에 정보를 넣듯이 세상의 모든 정보를 4진법으로도 표현이 가능하게 되는데 이것이 바로 DNA 정보 저장의 기초 원리이다.

이 방식은 1988년에 처음 소개되었지만 비용의 문제로 인해 '이론적으로'나 가능한 것으로 넘어갔으나, 최근들어 이것이 점점 현실화되고 있다. DNA합성과 해독 비용이 엄청나게 떨어짐에 따라 경제적으로도 가능한 길이 열렸기 때문이다.

현재 1그램의 DNA로 215PB의 데이터를 저장할 수 있다고 한다. PB는 페타바이트을 나타내며 Kilo - Mega - Giga - Tera - Peta순으로 용량이 커지는 것을 볼때 데이터 밀도가 엄청나다는 것을 알 수 있다.

최근 연구

예전에는 DNA방식을 이용해 합성 DNA에 데이터를 저장하는 방식이었다. 하지만 최근에 하버드 대학교에서 행한 연구에 따르면 '살아있는' 대장균에 정보를 저장하고 다시 추출하는 것이 가능해졌다고 한다.

왼쪽은 원본이미지이며 오른쪽은 대장균에 저장한 이미지를 다시 추출했을 떄의 이미지이다.

이 방식은 흔히 유전자 가위라고 알려져 있는 크리스퍼 유전자 편집 도구를 이용했다. 즉 원래 있던 대장균의 DNA 중 일부를 제거하고 정보를 저장한 유전자를 넣어둔 뒤 다시 추출해낸 것이다.

이 기술은 저장매체로써의 생명체로 생명을 바라볼 수 있게 되어 사람의 경우, 질병이나 큰 문제가 생겼을 때 그 원인을 추적할 수 있는 길을 열었다고 평가받고 있다.