서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 기계공학부 신용대, 김도년 교수 공동 연구팀이 상분리 현상을 활용해 분자 진단 및 DNA 연산 가속을 위한 핵심 원천 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

DNA는 그 서열에 대용량의 정보를 저장할 수 있고, DNA 분자 간의 상호작용을 쉽게 프로그래밍할 수 있는 장점이 있어 분자 연산에 매우 적합한 후보 물질로 연구돼왔다.

DNA 연산은 용액 내에서 많은 수의 연산이 동시에 병렬적으로 진행되는 강점을 지니지만, 개별 계산의 속도가 느리다는 단점도 있다.

이런 단점 극복을 위해 연구팀은 세포 내 상분리 현상에 착안했다. 물과 기름이 서로 섞이지 않고, 두 개의 다른 액체상으로 공존하는 현상을 상분리(phase separation)라고 한다. 최근에는 세포 내부의 다양한 생체분자들이 상분리를 통해 여러 응집체를 이루고, 이런 응집체의 이상이 암질환이나 퇴행성 신경질환과 밀접한 관련이 있음이 알려져 의생명과학계의 큰 관심을 받고 있다.

연구팀은 세포 내 상분리 현상과 유사하게 작동하는 DNA 구조체를 설계해 상분리를 유도했고, 상분리를 통해 형성된 액체 방울 형태의 응집체 내부에 특정 DNA 분자를 선택적으로 농축할 수 있었다.

연구진은 DNA 응집체 내부에 DNA 분자 연산 요소를 농축함으로써 논리 회로 연산을 수십 배 가속 가능하다는 점을 확인했다.

또한 여러 병렬 연산 중 특정 연산을 선택적으로 응집체에 특화해 가속할 수 있다는 점을 확인했다. 이에 연구진은 이번 연구에서 개발한 상분리 기반 분자 연산 가속 기술이 여러 분자 연산에 범용적으로 적용될 수 있음을 입증했다.

DNA 분자 연산은 생체분자 센싱, 패턴 인식, 질병 진단, 현장 검사 등에 광범위하게 활용될 수 있다. 이번 연구진의 이번 성과는 앞으로 DNA 분자 연산에 기반한 여러 응용 분야에 폭넓게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

한편 이번 연구 결과는 이런 성과를 인정받아 세계적인 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다. 과학기술정보통신부 과학난제도전 융합연구개발사업(인공모포제네시스 연구단) 및 이공분야기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.