To appear in: 미래를여는생물공학이야기, Chapter 7, 생각의나무출판사, 2006. 바이오컴퓨터: 생명공학을이용한컴퓨터만들기 (Biocomputers: Making Computers Using Biotechnology) 장병탁( 서울대학교컴퓨터공학부) 목차 1. 컴퓨터공학과생명공학의만남 2. 바이오정보학: 컴퓨터를이용한생명공학연구 3. 바이오분자컴퓨터: 생명공학을이용한컴퓨터만들기 4. 바이오지능기술: 바이오컴퓨터를이용한인공지능의실현 5. 바이오컴퓨터의미래 1. 컴퓨터공학과생명공학의만남 컴퓨터과학과생명과학은지금까지별로상호작용이없었던것처럼보인다. 그러나최근들어두개의학문분야는서로밀접히연계되어발전하고있으며바이오정보학이라는새로운연구분야의탄생은이러한상호작용에대한대표적인예중의하나로볼수있다. 바이오정보학또는생물정보학은생명과학의현안문제들을해결하기위해서컴퓨터및관련정보기술을활용하는연구분야로서컴퓨터공학에새로운응용영역을열어줄뿐만아니라새로운흥미있는연구주제를제공해준다. 이와같이생명과학이컴퓨터를절실하게필요로한다는것은비교적널리알려져있으나, 다른한편으로컴퓨터과학이생명과학의도움을필요로하고있다는것을아는사람은그리많지않다. 컴퓨터발전의역사를살펴보면오래전부터컴퓨터과학자들은생명체를가장이상적인정보처리시스템의하나로여겨왔다. 동물의뇌신경계를모사하여정보처리를수행하려는신경망모델에관한연구는비교적널리알려진사실이다. 한편생명체들의유전현상즉부모의유전형질들이자손들에게상속되는과정을모사함으로써정보처리를하는유전자알고리즘에관한연구도이러한예에속한다. 그리고생명현상을실리콘컴퓨터상에서시뮬레이션하고자하는인공생명에관한연구도이러한연구의일부로볼수있다. 또한생명체를닮은컴퓨터를만들려는시도는단순한시뮬레이션에만그치지않
고아예정보처리매체자체를생체에서가져오려는시도도이루어지고있다. 최근들어연구되고있는 DNA 분자기반의바이오컴퓨터는이러한예중의하나이다. DNA 컴퓨터는염기들간의상보결합을하는 DNA 분자들의물리적화학적인특성에기반한초병렬상호작용을이용하여현재의반도체기반고체소자기술에서구현하기불가능한새로운정보처리모델을실현할수있게해준다. 이와같은바이오컴퓨터연구는, 20 세기정보기술시대에서의 실리콘기반마이크로프로세서 에견줄수있는 21 세기생명공학시대에의 탄소기반의새로운마이크로프로세서 가도래하고있음을짐작케한다. 바이오컴퓨터기술은기존의실리콘기술이다룰수없는바이오데이터를액체상에서바로다룰수있게해준다. 따라서지금의컴퓨터가사무환경을자동화함으로써 종이없는사무실 (paperless office) 을만들어온것처럼궁극적으로생명공학실험실을자동화함으로써 피펫없는실험실 (pipetless laboratory) 을실현할수있을것이다. 또한바이오컴퓨터는생체물질의물리화학적특성을혁신적으로활용함으로써반도체기반고체소자기술에서모사할수없었던새로운정보처리현상들을구현하는것을가능하도록함으로써현재컴퓨터의한계를극복할수있는길을열어줄수도있을것이다. 이러한발전은궁극적으로바이오컴퓨터를이용하여인간의정보처리능력을모사하는혁신적인인공지능의실현을생각해볼수있게한다.
Silicon Computers for Paperless Office Pre-Computer Age Computer Age Carbon Bicomputers for Pipetless Lab Pre-Biocomputer Age Biocomputer Age 2. 바이오정보학: 컴퓨터를이용한생명공학연구 20 세기최대의발명품중의하나인 ( 전자식디지털) 컴퓨터는 1940년대에 2차대전을전후하여탄도계산과같은주로군사적인목적의수치계산을위해발명되었으며 1950-60년대에는주로과학기술에한정되어응용되다가 1960-70 년대들어서비지니스분야에서전자적인데이터처리에활용되기시작하면
서상용화가시작되었다. 1980년대에들어서는개인용컴퓨터가나오게됨에 따라서업무용이나전문가용뿐만아니라일반가정에보급되기시작하면서 마치 TV 나전화기처럼생활가전제품처럼널리쓰이고있다. 이제컴퓨터는 인터넷및이동통신과결합되어업무뿐아니라가사, 교육, 오락등을위해 서없어서는안될생필품으로자리매김되어가고있다. 컴퓨터는위와같이사업및일상생활에서더이상없어서는안될존재 일뿐만아니라생명과학연구에있어서도필수적인존재이다. 1990년이후 유전체학(genomics) 의시대를맞이하여다양한종류의대규모의유전정보가 생성되었을뿐만아니라유전자들의전사에관련되는물질을통합적으로다 루는전사체학(transcriptomics), 유전자들의생성물인단백질전체를다루는 단백질체학(proteomics), 또한대사작용에관여하는모든분자들을다루는대 사체학(metabolomics), 생리작용에 관여하는 물질들을 다루는 생리체학 (physiomics), 심지어는많은세포들의활동을동시에관측하고분석하고자 하는세포체학(cellomics) 등의분야가형성되고있다. 이러한최근의 omics연 구는기존의생명과학연구에서와같이다른구성요소와는분리된하나의 작은요소들을단위로해서살펴보는것이아니라여러단위또는대규모단 위의시스템적분석을시도하고있다는것이다. 이와같이연구대상이대규 모화됨에따라분석할데이터의양이급증하고따라서컴퓨터를활용한계산 생물학또는생물정보학의역할이점점더중요해지고있다. 2000년을전후하 여세계적으로뿐만아니라국내에서도생물정보학또는바이오정보학과그 관련학과들이학부나대학원과정으로여러대학교에신설되었다. 3. 바이오분자컴퓨터: 생명공학을이용한컴퓨터만들기 컴퓨터가일으킨혁명의대표적인예로서 Paperless Office ( 종이없는사무실을들수있다. 컴퓨터가도입되기이전에는온갖종류의종이서류가사무실을가득메웠으나지금은우편물, 팩스, 은행업무, 시장정보, 서적, 신문, 논문, 발표자료등대부분의정보가컴퓨터라는한대의장치를통해서통합처리될수있게되었다. 이러한컴퓨터혁명의과정을돌이켜보고이를현재의생명공학에적용시켜본다면생물학실험실에도이러한혁명이도래하리라고생각하는데는그리큰상상력을필요로하지않는다. 현재생물학실험실에서유전자분석과관련된장비를예로들어보자면, 서열을분석하기위한서열분석기, DNA를복제및증폭하기위한중합효소 연쇄반응장치(PCR), DNA 분자들을분류하기위한전기영동장치, 분자들에
Computing with Biomolecules Bioinformation Technology Information Technology Lab Automation Biomolecular Computer Limits of Silicon Technology - Paralellism - Biocompatible - Storage Cap. - Power Cons. Biotechnology 부착한형광물질의세기를측정하기위한광도측정장치등의다양한장비, 그리고이러한것들에대해서수치적인정보를분석하기위한디지털컴퓨터및그소프트웨어들이따로분리되어운영되고있다. 이는마치컴퓨터이전시대의사무실에서다양한종류의문서를수발하여일일이따로처리하던것과유사하며컴퓨터과학적인사고를통하여이러한실험실장치들을통합한소위 Pipetless Laboratory" ( 피펫없는실험실) 을생각해볼수있다. 물론현재에도실험실을자동화하려는시도는일부일어나고있다. 예를들면실험실의데이터를하나의데이터베이스에통합하여한대의컴퓨터로통합관리하려는실험실정보관리시스템(LIMS) 이개발되고있다. 그러나이것은여전히물질로서의생체분자들을일단다른장비를통해서디지털화한전자신호로변형한후이를컴퓨터로분석하는기술이다. 이러한정보처리를위해서는생명체의분자신호를전자신호로변형한후이를전자컴퓨터상에서분석해야하는중간의변형과정이필요하다. 보다더자연스러운한가지접근방법은전자신호로의변환없이분자수준에서직접정보를처리하는바이오분자컴퓨터를만드는것이다. 바이오분자컴퓨터는 DNA, RNA 등의핵산이나단백질등바이오분자를정보처리및저장매체로직접사용하는컴퓨터를일컫는다. 분자를이용하여컴퓨터를만들수있다는이론적인모델들은이미 1980년대부터있어왔다. 그러나본격적인분자컴퓨터연구가시작된것은 1994년에에이들만 (Adleman) 이 DNA 분자를이용해서순환판매원문제를해결할수있다는것
을실험적으로보여줌으로써이다. 순환판매원문제는서울, 부산, 대구, 광주, 제주, 인천, 춘천, 전주등여러개의도시를순환판매원( 세일즈맨) 이최소의경비( 주행거리) 로중복없이모두방문하는경로를찾는문제이다. 각도시간에는거리가주어지고방문한경로에서총거리의합이최소가되며모든도시를정확히한번씩만방문해야한다. 이문제는도시의수가많지않을경우에는쉽게해결되지만도시의수가많아지면( 예를들어만개) 현재의수퍼컴퓨터로도해결할수없는복잡한계산문제이다. 에이들만은이문제를 DNA 분자의거대정보집적도(1 그램의 DNA에약 10 21 개의염기를가지며이는 10 억테라비트에해당) 와초병렬적생화학반응에의한정보처리특성을이용하여큰문제도해결할수있음을실험적으로보여주었다. 최근들어 DNA 컴퓨터연구는기존의전자컴퓨터로해결하기위한어려운계산문제를시도하는것뿐아니라기존의컴퓨터로서는해결할수없는문제들을찾아내기시작하였다. 예를들어, 환자로부터추출한 DNA를직접처리하여유전질병을판단하는분자진단에 DNA 컴퓨터를응용하는연구가시도되고있다. 기존의방법에서는추출한 DNA를서열분석하여컴퓨터상에저장된유전자데이터베이스에서의검색을통해서질병여부를전자컴퓨터로진단하여야하나이경우바이오정보를전자정보로변환하기위한여러가지장비와변환된전자데이터를분석하기위한큰디지털컴퓨터가필요하였다. 그러나 DNA 분자로부터직접처리하는미세유체역학액체컴퓨터인 DNA 컴퓨터를사용하면이러한진단이하나의작은칩상에서이루어질수있어간단하고저가의진단이가능할수있다. 또한 DNA 컴퓨터는최근나노바이오기술과접목되어응용되기도한다. DNA 는화학적으로안정된나노구조이며(DNA 분자의폭은 3.4 나노미터) 염기 A와 T, G와 C가서로상보적으로결합하는특성으로인해서 DNA 서열을잘설계함으로써복잡한나노구조를만드는것이다른분자들에비해용이하다. 만든 DNA 나노구조는질병치료를위한단백질이나약물을포획하거나전달하기위한구조물로사용될수있다. DNA는또한전기전도성이있는데이를이용하여아주작은나노전선을만드는연구사례도있다. 이와같이바이오분자는생명체시스템의기본구성요소일뿐만아니라새로운정보처리및저장물질로서도새로운응용을찾아내고있다. 4. 바이오지능기술: 바이오컴퓨터를이용한인공지능의실현 DNA 분자를이용한바이오컴퓨터는그물리화학적성질에의하여지금의
Vn-1 Vn-1 Bioinformatics S/W Design Support Software 5'-ACACTGTGCTGATCTC-3' 5'-TAGCAGCTTCCTTACG-3' 3'-ATCGTCGAAGGAATGC-5' V n-2 V n-2 V n = 0 V V n+2 V n+3 n+1 V n = 1 V V n+1 n+2 V n+3 Biocomputer Capture probe (V n = 1) DNA Algorithm Bead Bio-MEMS Technology Biosensors 실리콘기술에기반한컴퓨터보다지능적인정보처리를수행하기에더적합한특성을가지고있다. 동물들의지능적정보처리는신경계에기인하며사람의경우 1000억개의뉴런으로구성되어있고이들이각각천내지만개의다른뉴런들과상호연결되어정보를전달하고처리한다. 이러한연결망모델로서기존에인공신경망이연구된바있으나현존하는신경망모델은수천개정도의뉴런들의상호작용만을모사할뿐뉴런이나연결선의수가많아지면현재의컴퓨터로서는이러한복잡한상호작용을모사하는것이실제로는불가능하다. 최근에 1000억개의 DNA 분자들을이용하여신경계와유사한복잡한정보처리망을자기조직에의하여구성하려는시도가이루어지고있다. 이러한거대수의분자들의망을초상호작용망(hyperinteraction networks) 이라고하며이는수학의초그래프이론을기반으로하고고전적인설계가아닌진화알고리즘을이용하여생명체가진화해왔듯이정보환경에적응하면서구조를진화에의해자기조직해나가는방법이다. 비록하나의 DNA 분자는비교적단순한정보저장및처리능력을가지고있지만이단순한소자들이거대수가모여서상호작용함으로써복잡적응계의특성을보여주는정보처리능력을발휘할수있다. 이러한능력은지금까지의인공지능컴퓨터가가장어려움을겪고있는문제인시각정보처리나언어정보처리에적용할수있을것이다. 이러한응용의예로서 DNA 분자컴퓨팅을이용하여초상호작용망을구성함으로써손으로쓴 3000여개의필기체숫자의문자인식을학습하는 DNA
컴퓨터를개발할수있음을서울대학교바이오지능연구실에서최근모의실험으로확인하였다. 이방식은분자들의화학적조합능력을이용하여인식에필요한가능한거대수의고차특징들을 DNA 분자로코딩하여라이브러리에간직한후학습예제로부터이라이브러리를확률적으로학습시킨다. 이확률라이브러리모델분자컴퓨터는확률적인계산모델에기반해있으며정확한계산을요구하기보다는많은수의분자들이모여서보이는통계역학적인현상을이용하고있기때문에현재의 DNA 생명공학기술로서도구현이가능하다. 또한현재의컴퓨터가잘하지못하는기계학습을분자들의상호작용과물리적인특성을이용하여자연스럽게구현하고있는학습하는컴퓨터라는점에서인공지능실현에한발더가까이다가간새로운정보처리기술이다. 5. 바이오컴퓨터의미래 과거를아는것은미래를예측하는데도움이된다. 컴퓨터발전의역사를보 면새로운기술의등장이어떻게세상을바꿀수있는지를알수있다. 그리 고또한새로운기술의응용을예측하는것이얼마나어려운지도짐작할수 있게해준다. 초기에컴퓨터가만들어질때는수치계산을주로염두에두었 으나지금은이를이용하여인터넷항해도하고가상현실도경험한다. 컴퓨터의기원에대해서조금더살펴보자면, 나무와돌을사용하여셈을 하던원시시대, 그이후셈을하기위한주판의발명으로까지거슬러올라간 다. 서구유럽의중세시대에는건축, 천문관측, 항해등을위해삼각함수나 로그함수지수함수등의계산이필요하였으며이를위한도구로서계산표나 계산자등을발명하였다. 19세기초에는직조기를프로그램하기위해서천공 카드가발명되었다. 19세기후반에영국의배비지는계산표에오류가많은것 을발견하고이표를오류없이자동으로생성하는기계를만들려는시도에 서메모리와프로세서그리고제어장치로구성된현재의컴퓨터의기본개념 을정립하게되었다. 이러한기계는비록그당시의기계공학적인기술만으로 는구현이되지못하였지만 20세기초에들어와전기의시대를맞이하여진 공관이발명됨으로써실현되기시작하였고그이후반도체기술에기반한트 랜지스터와집적회로소자등의기술개발에힘입어점점더처리능력은증 가하고크기는작아지는현재의컴퓨터로발전하게되었다. 초기에는이렇게 주로계산목적으로사용되었으니실제로지금에와서는데이터베이스관리, 애니메이션, 게임, 전자메일, 문서편집, 장부정리, 인터넷뱅킹등모든곳에활 용되고있다.
컴퓨터가이렇게만능기계로발전할수있었던것에는두가지기술적인배경이있다. 첫번째는모든정보처리를논리연산에기반한이진법적대수학으로기술한이론적인체계정립이다. 겉으로보기에는다양한데이터가입력되고출력되지만그기저에는하나의통일된수학적인원리가있다는것이다. 이는소프트웨어적인측면이다. 두번째는이러한수학적인원리를물리적으로실현하기위한하드웨어기술의발전을들수있다. 전기회로를구현하기위한다양한소자들을하나의통일된반도체물질을사용하여구현하는것이가능해짐으로써집적도를계속향상시킬수있었다. 이와같은정보기술에서의만능기계로서컴퓨터의개념을생명공학에적용할경우앞에서논의한 Paperless Office" 로부터 Pipetless Lab" 으로의전환을생각해볼수있고이를위해서는실리콘에대응하는물질과마이크로프로세서에대응하는생명공학시대의마이크로프로세서의발명을생각해볼수있다. 이점에서현재 DNA 컴퓨터에사용되는 DNA 분자는생명공학의시대의실리콘에대응되는한가지탄소기반물질로볼수있다. 이는가져오는또한이러한신물질에기반한신개념의바이오컴퓨터는현재의컴퓨터의한계를뛰어넘는탄소기반바이오마이크로프로세서로발전할수있을것이다. 물론이는실리콘기반마이크로프로세서와탄소기반마이크로프로세서가같은목적으로사용된다는것을전제하는것은아니다. 아마도이들은서로경쟁적인관계라기보다는상호보완적인관계여서실리콘프로세서가잘하는것과탄소프로세서가잘하는것이서로다를가능성이높다. DNA 분자컴퓨터의경우액체상태의 DNA를바로데이터로받아처리할수있다는점에서실리콘기술과는대조적이다. 바이오컴퓨터는다른물질의데이터를직접다룬다는점외에도다른정보처리현상을다룰수있다는점에서도기존의반도체기반컴퓨터기술과는대조적이다. 현재컴퓨터의한계의대표적인예로서는시각정보처리와언어정보처리를들수있다. 물체인식이나언어사용에있어서사람은세살난어린아이도어려움을느끼지않는데반해서기계의경우아직수퍼컴퓨터로도처리가어려우며이는앞에서도논의한바와같이지금컴퓨터의정보처리원리가생물체의정보처리원리즉뇌의동작원리와는다른데에기인한다고볼수있다. 이점에서 1000억개의단순한 DNA 분자들의화학반응을이용한초상호작용망기반의바이오분자컴퓨터는생명체를이해하고모사하는새로운정보처리모델에한단계더가까이다가간기술이될것이다. 이제는학제적인연구의시대이다. 전통적인학문의경계는전문가양성을위한교육을위해서는여전히중요하다. 그러나새로운것을발견하고창조하
는창의적인연구개발측면에서는전통적인학문및기술분야를넘어서는다학제적인폭넓은사고와상호협력이중요하다. 또한기술간의융합을통한새로운기술의창출이점점더중요해지는새로운세기에는바이오컴퓨터와같은새로운분야를개척하고신산업을창출하려는도전정신과창의력및호기심과인내력을겸비한지적연구자들을많이필요로한다. 저자약력 : 1982-1988: 서울대학교컴퓨터공학과학사및석사 1988-1992: 독일 Bonn 대학교컴퓨터과학과박사 1992-1995: 독일국립정보기술연구소(GMD) 연구원 1997- 현재: 서울대학교컴퓨터공학부조교수및부교수 2001- 현재: 서울대바이오정보기술연구센터센터장