보라빛 소를 만나기 위한 도약

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1807호(2017. 8. 2 발행)에 기고한 원고입니다.

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마이크로소프트, DNA 기억 소자에 데이터를 저장하는 방법 개발.pdf

ž 마이크로소프트 리서치(Microsoft Research)는 DNA를 단위로 하는 기억 소자에 데이터를 저장하고 그것을 읽어내는 데 성공했다고 발표

Ø 마이크로소프트 리서치에 따르면 DNA에 비디오 영상 등을 저장하고 오류 없이 읽어 비디오를 재생할 수 있었으며, 

데이터 용량은 200MB로 영상 외에 데이터베이스 등이 포함되어 있었음

Ø 이 실험은 지난해 실시되었으며, 올해 들어 연구 내용을 자세히 소개한 논문 ‘DNA 데이터 스토리지 확장과 무작위 접근 검색(Scaling up DNA data storage and random access retrieval)’으로 발표되었음

Scaling up DNA data storage and random access retrieval.pdf

ž 기억 소자로서 DNA가 주목 받는 이유는 ‘기억 밀도’에 있는데, 인터넷 상의 모든 정보를 중형 사전 한 권 정도의 크기에 담을 수 있는 것으로 알려져 있음

Ø DNA에는 고밀도로 데이터를 저장할 수 있기 때문에, 마이크로소프트는 이 연구 성과를 바탕으로 DNA 저장 장치를 개발하고 몇 년 후에는 데이터 센터에 설치해 운용할 계획임

Ø 현재의 저장 매체들은 물리적 한계에 다다르고 있는데, 광학 디스크나 하드 디스크, 플래시 메모리(SSD) 등이 장기 보존 저장 매체로 사용되고 있으나 하드 디스크의 기억 밀도는 1 평방 밀리미터당 10GB(10^10 바이트)로 한계에 가까워지고 있음

Ø 이에 비해 MS가 개발한 DNA는 저장 밀도가 1 평방 밀리미터당 10의 18승 바이트(10^18 B)로 1억 배가 높아 기억 밀도가 현저히 높기 때문에 차세대 기억 소자로 주목 받고 있음

Ø 또한 DNA를 기억 소자로 사용하면 장기 저장도 가능하게 되는데, DNA는 실리콘과 달리 부드럽고 파괴되기 쉽다는 이미지가 있지만 DNA를 저온 저습으로 저장하면 노화가 매우 작음

Ø 매머드의 DNA로부터 매머드를 재생하는 프로젝트가 진행되고 있는 데서 알 수 있듯이, DNA는 수십만 년 전의 정보가 정확하게 유지될 수 있음

Ø 플로피 디스크나 카세트 테이프 판독 장치의 경우 제조가 중단되면서 더 이상 사용할 수 없게 되는 문제가 발생했지만, DNA의 판독 장치(DNA 시퀀서)는 인간이 존재하는 한 아주 오랜 기간에 걸쳐 이용할 수 있는 장점이 있음

Ø 마이크로소프트는 DNA를 기억 소자로 사용하는 이번 연구결과를 프로토타입으로 삼아, 자체적으로 차세대 스토리지 개발에 나설 계획인 것으로 알려짐

ž DNA를 저장 매제로 이용하는 논리는 매우 간단하지만, 이것을 실제로 실행하려면 고도의의 기술이 필요함

Ø DNA를 메모리로 사용하려면 정보 2 비트를 DNA를 구성하는 염기(A, G, T, C)에 인코딩 하면 되는데, 즉 A(00)-G(01)-T(10)-C(11)로 표현이 가능하며 AG의 경우 0001로 표현할 수 있음

Ø 현재 데이터는 0과 1로 구성되어 기억장치는 2비트로 구동되지만, 이를 DNA 소자를 이용해 A-G-T-C의 조합으로 대체하면 4비트로 구성되는 메모리 소자가 가능해 지는 것임

Ø DNA 기억 소자는 논리적으로 랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory)로서 기능하는데, 이는 PC에서 사용되는 SRAM과 DRAM에 해당함

Ø 기억하는 정보의 기본 단위(레코드)를 정의하고 여기에 ID나 주소, 혹은 페이로드를 설정하며, 정보를 기록할 때 이런 구성의 DNA를 생성하게 됨

Ø 이 과정은 DNA 합성(DNA Synthesis)이라고 불리며 DNA의 염기를 특정 배열로 쌓아 올리게 되는데, 현재 많은 스타트업들이 등장하여 DNA 합성 기술이 고도로 진화하고 있음

Ø 생성된 DNA는 DNA 풀(DNA Pool)이라는 용기에 보관되며, DNA를 읽을 때는 DNA 판독 장치 (DNA 시퀀서)를 사용하는데, 유전자 분석 때와 같은 방식으로 용기 안의 DNA 서열을 읽어 냄

ž 남은 기술적 과제는 DNA 생성 과정에서 어떻게 고속으로 DNA를 생성하느냐인데, DNA라는 생물체를 생성하려면 시간과 비용이 많이 소요됨

Ø 현재 DNA 생성 속도는 초당 400 바이트로 200MB를 생성하려면 약 80만 달러가 드는데, 상용화를 위해서는 DNA 생성 속도를 올리고 가격을 낮출 수 있는 기술적 돌파구가 필요함

Ø 결국 유전자에 데이터를 저장하기 위해서는 DNA를 편집하여 기억 소자를 생성할 뿐만 아니라 편집한 DNA를 미생물에 통합해 새로운 자료를 생성하는 ‘합성생물학’의 발전이 필요함

Ø 생물학과 최신 IT 기술이 융합된 ‘합성 생물학(Synthetic Biology)’은 주로 신약 개발과 신소재의 합성에 응용되고 있는데, DNA를 기억 소재로 한 데이터센터에도 적용이 가능한 것임

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1802호(2017. 6. 28 발행)에 기고한 원고입니다.

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식물로 만드는 햄버거, 생물학과 인공지능을 결합한 합성생물학의 혁신.pdf

ž 소고기 사용 없이 식물로만 만든 햄버거는 최근 생물학과 인공지능(AI)을 결합한 ‘합성생물학(Synthetic Biology)’을 통해 벌어지고 있는 혁신의 한 사례임

Ø 실리콘밸리에서는 지금 첨단 기술을 이용한 차세대 식품의 제조에도 큰 관심이 쏠리고 있는데, 실제 소고기와 맛을 분간 할 수 없을 정도라는 식물로만 만든 고기 패티가 대표적

Ø 스탠퍼드 대학의 생물학 교수 패트릭 브라운이 실리콘밸리에 창업한 스타트업 ‘임파서블 푸드(Impossible Foods)’는 합성생물학을 통해 식물에서 육류를 생산하는 연구를 하고 있음

Ø 아몬드와 마카다미아 오일 등 오직 식물성 원료만으로 제조한 패티와 치즈를 사용해 버거를 만들고 있는 이 기업은 차세대 식량 개발을 미션으로 내세우고 있으며, 구글 벤처스와 빌 게이츠 등으로부터 1억 달러 이상의 투자를 유치한 것으로도 유명함

Ø 이 기업이 만든 햄버거의 이름은 ‘임파서블 버거(Impossible Burger)’로 연구 단계를 거쳐 이미 샌프란시스코 지역의 레스토랑에 제공되기 시작하였음

Ø 외형은 보통 햄버거와 동일하고 패티에서도 붉은 육즙이 나오는데, 외형뿐만 아니라 맛도 실제 소고기와 거의 흡사하다는 평가를 받고 있으며, 고기 맛이 약간 덜하다는 반응도 있긴 하지만 식물로만 만들었다고는 믿을 수 없을 정도라는 반응이 주를 이루고 있음

ž 임파서블 푸드는 리버스 엔지니어링을 통해 실제 햄버거의 구성 요소를 분석한 후, 버거의의 맛을 결정하는 소재를 찾아낸 다음 임파서블 버거를 개발하였음

Ø 임파서블 버거는 밀에서 추출한 단백질을 사용해 패티의 모양과 식감을 만들어 내는데, 패티의 표면은 감자의 단백질로 덮어 그릴에서 구우면 고소한 맛을 내게 하였고, 패티 안에는 코코넛 오일 입자를 넣어 지방이 희끗희끗하게 들어 있는 것처럼 보이게 하는 동시에 그릴에 구우면 기름이 탁탁 튀게 만들었음

Ø 리버스 엔지니어링을 통해 알아낸 햄버거의 맛을 결정하는 소재는 ‘힘(Heme)’인데, 이는 혈액의 헤모글로빈의 색소를 구성하는 물질로 진한 붉은색의 액체임

Ø 힘을 패티에 추가하면 소고기 색깔처럼 되고 구우면 옅은 붉은색의 육즙으로 나오는데, 힘은 산소와 결합하여 고기 특유의 철분을 포함한 향기와 맛을 내는 요소로 햄버거의 맛을 결정하는 가장 중요한 재료가 됨

Ø [그림 1]는 패티를 만드는 모습인데, 붉은색 부분이 밀 단백질에 힘을 더한 것이고, 흰색 알갱이가 코코넛 입자임

ž 임파서블 푸드는 핵심 소재인 힘을 생물학적 기법으로 생성하는데, 이처럼 식물로 육류를생산하려는 것은 현재 방식으로 가축을 사육하는 데는 한계가 있다고 보기 때문

Ø 콩에는 힘에 포함되어 있는 단백질인 렉헤모글로빈이 들어 있는데, 임파서블 푸드는 콩에서 렉헤모글로빈(Leghemoglobin)의 유전자를 뽑아 효모 분자에 주입한 후 효모를 발효시켜 렉헤모글로빈을 생성한 다음 이를 여과해 힘을 추출하는 합성생물학의 방법을 쓰고 있음

Ø 콩과 식물의 뿌리에는 렉헤모글로빈이 포함되어 있고 산소와 결합하여 힘을 운반 역할을 담당하고 있지만, 음식에서 힘을 채취하는 방식은 대량생산이 불가능하고 이 과정에서 이산화탄소가 방출되므로 합성생물학의 방법으로 생성하지 않으면 사업 타당성이 성립하지 않기 때문

Ø UN에 따르면 2050년경 세계 인구는 약 95억 명에 달하며 육류 소비량은 연간 약 1천억 마리로 현재의 2배에 달할 것으로 전망되는데, 이러한 규모의 가축을 사육하는데 필요한 엄청난 양의 건초와 물을 마련하지 못한다면 고기 공급은 한계가 발생할 수 있음

Ø 사료 문제보다 심각한 것은 수질과 대기오염 등 환경문제로, 현재의 가축 규모로도 문제가 심각한데 향후 더 많은 가축을 사육해야 한다면 환경문제는 재앙 수준이 될 수도 있음

Ø 임파서블 푸드는 이런 문제를 해결하여 인류의 육류 섭취 문화를 지속시키기 위해 합성생물학의 기법을 이용한 육류 생산 기술을 개발하고 있는 것임

Ø 이 기업은 현재 콩으로 만든 소고기인 '비욘드 미트(Beyond Meat)’뿐만 아니라 인공계란 '햄튼 크릭(Hampton Creek)', 영양음료 '소이렌트(Soylent)', 건강한 캔디 '언리얼 브랜드(Unreal Brands)' 등 다양한 대체식품들을 연이어 출시하고 있음

Ø 임파서블 푸드의 등장에는 소비자 인식의 변화도 한몫을 하는데, 공장에서 인공적으로 생산된 육류에 대한 이미지는 매우 좋지 않아 그 동안 소비자들은 이를 섭취하는 것에 거부감을 가지고 있었지만 최근 수용 태도에 변화가 감지되고 있음

Ø 한 조사 결과에 따르면 밀레니얼 세대들은 공장에서 제조되는 육류에 대해 큰 거부감이 없으며, 이를 건강식품인 동시에 환경친화적인 제품으로 생각한다고 함

ž 합성생물학은 생물로 이루어지는 부품이나 시스템을 설계·제조하는 기술을 가리키는데, 최근에는 합성생물학에 의해 자연계에는 없는 기능을 가진 식품들이 등장하고 있음

Ø 합성생물학은 ‘유전자 엔지니어링 2.0(Genetic Engineering 2.0)’이라고 불리는 유전 공학의 최신 기술을 사용하고 있는데, 특정 단백질을 생성하는 프로그램인 유전자 코드(Genetic Code)를 형성하는 염기(A, T, C, G)를 편집하고 미생물의 DNA에 내장된 단백질을 생성하며, 이런 기술을 응용해 의료, 농업, 생활에 도움이 되는 물질을 생성하고 있음

Ø 합성생물학을 통해 자연계에는 없는 기능을 가진 제품들이 등장하고 있는데, 이들은 ‘불가능한 물질들(Impossible Materials)’이라 불리며 말 그대로 믿을 수 없는 기능을 제공함

Ø 임파서블 버거의 사례 외에도, 식물에서 우유를 생산하는 연구도 진행되고 있으며, 특수 소재로 과일을 코팅하여 저장성을 크게 향상시킨 썩지 않는 과일도 등장하고 있음

Ø 비단 음식 분야에서 활용뿐만 아니라 해파리와 오징어 등의 생물이 가진 발광 메커니즘을 유전자 조작으로 만들어 이를 건물의 조명에 응용하려는 연구나, 금속보다 가볍고 튼튼한 ‘플라스틱 엔진’을 만들려는 연구도 진행되고 있음

Ø 의료 분야에서는 CRISPR/Cas9이라는 고급 유전자 편집 기술을 사용한 암 치료제의 개발이 진행되고 있는데, 이 역시 합성생물학의 한 응용 사례임

ž 합성생물학을 통해 물질을 개발하는 기술이 급진전하게 된 배경에는 인공지능과 로보틱스의 발전에 있는데, 스티브 잡스는 생전에 이 합성생물학을 21세기 최대 혁신이라 지칭

Ø 합성생물학을 기반으로 새로운 물질을 개발하는 방법을 ‘마이크로우브 엔지니어링(Microbe Engineering)’이라고도 하는데, 말 그대로 미생물을 대상으로 엔지니어링을 하여 DNA 구조를 설계하고 이를 시험을 통해 검증하는 작업을 반복하는 것임

Ø 합성생물학은 아직 개척 중인 분야로 시행착오를 통해 연구가 진행되고 있는데, DNA 구조와 분자 반응 패턴의 수가 너무 방대해 AI와 기계학습 기술이 없다면 진행할 수 있으며, 실제 검증도 모든 프로세스를 자동화 해 로봇이 실험을 수행하고 AI가 그 결과를 확인할 필요가 있음

Ø 이런 이유로 합성생물학은 AI와 로보틱스 기술의 급진전에 힘입어 연구가 가속화되고 있는 것이며, ‘21세기 최대의 혁신은 생물학과 기술의 교차점에서 태어난다’는 말을 낳고 있음

Ø 이는 생물학자들의 발언이 아니라 스티브 잡스가 죽기 직전에 한 말이며, 과연 그의 통찰대로 양자의 교차점인 합성생물학을 통해 놀라운 기능을 가진 제품들이 등장하고 있음

Ø 임파서블 푸드가 보여주고 있는 놀라운 성과물들은 왜 구글이 이 기업을 3억 달러에 인수하려 했는지, 그리고 임파서블 푸드는 그런 제안을 왜 거부했는지를 잘 설명해 주고 있음