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컬럼비아대학의 연구자들은 디지털 전자 신호를 살아있는 세포의 게놈에 저장된 유전 데이터로 직접 변환할 수 있는 새로운 접근 방식을 입증했다. 새로운 연구를 통해 컴퓨터에서 살아있는 세포로 직접 데이터 전송 가능하다.

https://singularityhub.com/2021/01/11/new-research-could-enable-direct-data-transfer-from-computers-to-living-cells/

JM Kim | 기사입력 2021/01/13 [02:53]

컬럼비아대학의 연구자들은 디지털 전자 신호를 살아있는 세포의 게놈에 저장된 유전 데이터로 직접 변환할 수 있는 새로운 접근 방식을 입증했다. 새로운 연구를 통해 컴퓨터에서 살아있는 세포로 직접 데이터 전송 가능하다.

https://singularityhub.com/2021/01/11/new-research-could-enable-direct-data-transfer-from-computers-to-living-cells/

JM Kim | 입력 : 2021/01/13 [02:53]

 

현대 세계에서 더 많은 데이터가 생성됨에 따라 연구자들은 모든 데이터를 저장할 새로운 방법을 찾기 위해 노력하고 있다. DNA는 매우 컴팩트하고 안정적인 저장 매체로서의 가능성을 갖고 있으며, 이제 새로운 접근 방식을 통해 디지털 데이터를 살아있는 세포의 게놈에 직접 쓸 수 있다.

 

자연에 내장된 메모리 기술을 재활용하려는 노력은 새로운 것이 아니지만 지난 10년 동안 이 접근 방식은 새로운 관심을 얻고 몇 가지 중요한 진전을 보였다. 이는 속도 저하의 조짐이 보이지 않는 폭발적인 데이터 때문이었다. 2025년까지 전 세계적으로 매일 463엑사 바이트가 생성될 것으로 예상된다.

 

이 모든 데이터를 저장하는 것은 기존의 실리콘 기술을 사용하면 빠르게 비실용적이 될 수 있지만 DNA는 답을 보유할 수 있다. 처음에는 정보 밀도가 기존 하드 드라이브보다 수백만 배나 우수하며, 단일 그램의 DNA는 최대 2 1 5백만 기가 바이트를 저장할 수 있다.

 

제대로 보관하면 매우 안정적이다. 2017년에 연구원들은 70만년 전 멸종된 말 종의 전체 게놈을 추출할 수 있었다. 자연과 동일한 언어를 사용하여 데이터를 저장하고 조작하는 방법을 배우면 생명공학 분야의 새로운 기능에 대한 문을 열 수 있다.

 

주된 문제는 컴퓨터와 데이터의 디지털 세계와 유전학의 생화학 세계를 연결하는 방법을 찾는 데 있다. 현재 이것은 실험실에서 DNA 합성에 의존하고 있으며 비용은 급격히 떨어지고 있지만 여전히 복잡하고 비싼 사업이다. 일단 합성되면 서열은 다시 접근할 준비가 될 때까지 시험관 내에서 조심스럽게 저장해야 한다. 또는 CRISPR 유전자편집기술을 사용하여 살아있는 세포에 이을 수 있다.

 

하지만 이제 컬럼비아대학의 연구자들은 디지털 전자 신호를 살아있는 세포의 게놈에 저장된 유전 데이터로 직접 변환할 수 있는 새로운 접근 방식을 입증했다. Nature Chemical Biology에 발표된 연구를 이끌었던 Harris Wang은 이것이 데이터 저장 및 그 이상을 위한 다양한 애플리케이션으로 이어질 수 있다고 말한다.

 

"실시간으로 계산하고 물리적으로 재구성할 수 있는 셀룰러 하드 드라이브가 있다고 상상해보자."라고 그는 Singularity Hub에 이메일을 보냈다. “우리는 첫 번째 단계가 시험관 내 DNA 합성을 하지 않고도 바이너리 데이터를 세포로 직접 인코딩 할 수 있는 것이라고 생각한다.

 

“이것은 아마도 모든 DNA 저장 방식 중 가장 어려운 부분일 것이다. 세포가 컴퓨터와 직접 대화하고 DNA 기반 메모리 시스템과 실리콘 기반 메모리 시스템을 연결할 수 있다면 미래에 많은 가능성이 있다.”

 

이 연구는 Wang이 이전에 E. coli 박테리아를 위해 설계한 CRISPR 기반 세포 기록 장치를 기반으로 한다. 이 박테리아는 세포 내부의 특정 DNA 염기 서열의 존재를 감지하고 이 신호를 유기체의 게놈에 기록한다.

 

이 시스템은 특정 생물학적 신호에 반응하여 상승된 수준의 "트리거 서열"을 생성하는 DNA 기반 "감지 모듈"을 포함한다. 이러한 시퀀스는 레코더의 "DNA 티커 테이프"에 통합되어 신호를 문서화한다.

 

이 새로운 작업에서 Wang과 동료들은 전기 신호에 반응하는 다른 팀이 개발한 바이오 센서와 함께 작동하도록 감지 모듈을 조정했다. 그런 다음 팀이 전기 신호에 노출시킬 수 있는 일련의 챔버로 구성된 장치에 많은 박테리아 집단을 배치했다.

 

전압을 가했을 때 트리거 시퀀스의 레벨이 상승하여 DNA 티커 테이프에 기록되었다. 높은 비율의 트리거 시퀀스를 사용하여 이진법 "1"을 나타내며 그 부재는 "0"을 나타내어 연구자들이 디지털 정보를 박테리아의 게놈에 직접 인코딩 할 수 있도록 했다.

 

단일 셀이 보유할 수 있는 데이터의 양은 3비트로 매우 적다. 따라서 연구원들은 총 72비트에 대해 서로 다른 3비트 데이터 청크를 가진 24개의 개별 박테리아 집단을 동시에 인코딩하는 방법을 고안했다. 그들은 이것을 사용하여 "hello world!"라는 메시지를 인코딩했다. 결합된 집단을 시퀀싱하고 특별히 설계된 분류기를 사용하여 98% 정확도로 메시지를 검색할 수 있음을 보여주었다.

 

분명히 72비트는 최신 하드 드라이브의 저장 용량에서 먼 길이며, 무 세포 DNA 저장 기술도 이제 기가비트를 처리한다. 그러나 Wang은 이것이 단지 개념의 증명일 뿐이며 레코더를 구동하는 CRISPR 기계의 효율성, 안정적으로 읽을 수 있는 티커 테이프의 길이, 데이터를 인코딩하는 데 사용되는 전자 장치의 효율성을 높일 수 있는 많은 범위가 있다고 말한다.

 

"이 모든 것이 향후 몇 년 동안 개선될 것이며 단기적으로도 시스템의 용량을 몇 배로 크게 확장할 수 있다고 확신한다."고 그는 말했다.

 

그리고 체외가 아닌 세포에 데이터를 저장하면 많은 이점이 있다고 그는 덧붙였다. 처음에는 복잡한 인공 DNA 합성을 수행할 필요없이 단순히 더 많은 세포를 성장시킬 수 있기 때문에 데이터를 증폭하거나 복제하는 것이 훨씬 저렴하다. 논문에서 팀은 기록된 정보가 60~ 80세대 세포에서 안정적으로 유지된다는 것을 보여주었다.

 

세포는 이미 환경 장애로부터 DNA를 안전하게 유지하는 고유 능력을 가지고 있다. 그들은 E. coli 세포를 멸균되지 않은 화분 토양에 추가한 다음 결합된 토양 미생물 군집을 시퀀싱하여 52비트 메시지를 안정적으로 검색함으로써 이를 입증했다.

 

하지만 가장 흥미로운 것은 이 데이터 기록 기능을 바이오 컴퓨터에 대한 새로운 연구와 결합할 수 있다는 것이다. 연구자들은 이미 논리 및 메모리 작업을 수행할 수 있도록 세포의 DNA를 조작하기 시작했지만 실리콘과 게놈 사이에 직접적인 인터페이스를 생성하면 자체 장치를 위해 세포를 재 프로그래밍하는 능력을 크게 가속화할 수 있다.

 

 
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