이처럼 기능을 나누면 하나의 세포 안에 지나치게 많은 유전자 회로를 넣을 때 발생하는 문제를 줄일 수 있다. 세포 안에 조절 기능을 계속 추가하면 전사인자끼리 서로 간섭할 수 있고, 단백질을 대량으로 만들어야 해 세포에 큰 부담이 생긴다. 여러 콜로니가 각자 맡은 기능만 수행하도록 설계하면 개별 세포의 부담을 낮출 수 있다.

회로의 프로그램이 DNA에서 배치로 이동했다

연구진은 박테리아 콜로니를 한천 배지 위에 점 형태로 출력했다. 이웃한 콜로니 사이의 거리는 약 5밀리미터였고, 이 간격은 화학 신호가 다음 콜로니로 전달되는 경로를 구성하는 데 사용됐다.

실험은 먼저 회로의 배치도를 설계한 뒤, engineered strains를 배양하고 출력에 적합한 형태로 준비하는 방식으로 진행됐다. 실험 프로토콜에는 선택 배지에서 strain을 키우고 다중 웰 형식으로 인쇄 준비를 하는 과정이 담겨 있다.

따라서 회로를 재구성하려면 어떤 strain을 어느 위치에 인쇄할지, 어떤 콜로니를 서로 이웃하게 둘지만 바꾸면 된다. 새로운 연산마다 기저 DNA를 다시 작성하는 대신, 유전공학으로 각 부품의 기능을 정하고 물리적 배치로 연결 방식을 결정하는 셈이다.

OR 게이트부터 24개 콜로니 가산기까지

연구진은 이 구조를 이용해 점점 복잡한 연산을 시험했다.

• 여러 입력 중 하나만 활성화돼도 출력이 나오는 OR 논리
• 입력 사이의 조건 관계를 계산하는 함의형 논리 연산
• 하나의 입력을 제어 신호에 따라 4개 출력 중 하나로 보내는 1-to-4 디멀티플렉서
• 두 수의 덧셈을 수행하는 반가산기와 전가산기 회로

특히 전가산기 시연에는 24개의 출력된 박테리아 콜로니가 사용됐다. 이는 계산 기능을 하나의 유전적으로 과부하된 세포 안에 가두지 않고, 협력하는 여러 세포 집단에 분산할 수 있음을 보여준다.

컴퓨터에는 느리지만 생물학에서는 의미가 있다

이 회로가 계산 하나를 완료하는 데 걸린 시간은 약 8시간이었다. 실리콘 기반 전자회로와 비교하면 매우 느린 속도이며, 일반적인 디지털 프로세서를 대체할 수 있는 수준은 아니다.

그러나 생물학적 문제는 전자기기의 기준으로만 평가하기 어렵다. 식물의 가뭄 스트레스, 해충 피해, 질병의 진행은 수시간에서 수일에 걸쳐 나타날 수 있다. 이런 환경에서는 신호를 감지하고 생물학적 대응을 시작하는 데 8시간이 걸리더라도 활용 가능성이 있을 수 있다는 것이 연구진의 설명이다.

즉 이 기술의 목표는 빠른 계산이 아니다. 전자 장치와 전원 공급 장치를 별도로 설치하기 어려운 장소에서 화학·생물학적 신호를 현장에서 감지하고, 필요한 반응까지 연결하는 것이다.

식물의 뿌리와 잎에서 어떤 일을 할 수 있을까

연구진은 식물과 맞닿는 환경을 잠재적인 활용처로 제시한다. 뿌리나 잎에 생체 회로를 배치해 가뭄, 곤충의 공격, 병원체와 관련된 신호를 함께 분석하고, 특정 조합이 감지됐을 때만 대응하도록 만드는 구상이다.

예를 들어 미래의 시스템은 조건이 맞을 때 살균성 물질이나 다른 식물 보호 물질의 생성을 유도할 수 있다. 다만 이는 아직 연구 방향에 해당하며, 상용 농업 제품으로 입증된 단계는 아니다. 이 사례는 전자회로보다 느린 화학 계산이더라도 생물학적 환경에 직접 통합될 경우 가치가 있을 수 있음을 보여준다.

합성생물학의 설계 방식도 달라질 수 있다

기존의 유전 회로 설계는 흔히 하나의 세포 안에 얼마나 많은 기능을 넣을 수 있는지를 묻는다. MIT의 접근법은 질문을 바꾼다. 어떤 기능을 서로 다른 세포 집단으로 나눌지, 그리고 그 집단을 어떤 순서와 위치로 배열할지를 묻는 방식이다.

이 구조에서는 유전공학이 각 strain의 능력을 정의하고, 인쇄 배치가 그 능력들을 연결한다. 소수의 특화된 부품 라이브러리로 여러 논리 회로를 구성할 수 있어, 연산마다 완전히 새로운 strain을 만드는 부담도 줄일 수 있다.

이번 연구는 미국 국방고등연구계획국(DARPA)과 미국 정보고등연구계획활동(IARPA)의 지원을 일부 받아 진행됐다.

이처럼 기능을 나누면 하나의 세포 안에 지나치게 많은 유전자 회로를 넣을 때 발생하는 문제를 줄일 수 있다. 세포 안에 조절 기능을 계속 추가하면 전사인자끼리 서로 간섭할 수 있고, 단백질을 대량으로 만들어야 해 세포에 큰 부담이 생긴다. 여러 콜로니가 각자 맡은 기능만 수행하도록 설계하면 개별 세포의 부담을 낮출 수 있다.

회로의 프로그램이 DNA에서 배치로 이동했다

연구진은 박테리아 콜로니를 한천 배지 위에 점 형태로 출력했다. 이웃한 콜로니 사이의 거리는 약 5밀리미터였고, 이 간격은 화학 신호가 다음 콜로니로 전달되는 경로를 구성하는 데 사용됐다.

실험은 먼저 회로의 배치도를 설계한 뒤, engineered strains를 배양하고 출력에 적합한 형태로 준비하는 방식으로 진행됐다. 실험 프로토콜에는 선택 배지에서 strain을 키우고 다중 웰 형식으로 인쇄 준비를 하는 과정이 담겨 있다.

따라서 회로를 재구성하려면 어떤 strain을 어느 위치에 인쇄할지, 어떤 콜로니를 서로 이웃하게 둘지만 바꾸면 된다. 새로운 연산마다 기저 DNA를 다시 작성하는 대신, 유전공학으로 각 부품의 기능을 정하고 물리적 배치로 연결 방식을 결정하는 셈이다.

OR 게이트부터 24개 콜로니 가산기까지

연구진은 이 구조를 이용해 점점 복잡한 연산을 시험했다.

• 여러 입력 중 하나만 활성화돼도 출력이 나오는 OR 논리
• 입력 사이의 조건 관계를 계산하는 함의형 논리 연산
• 하나의 입력을 제어 신호에 따라 4개 출력 중 하나로 보내는 1-to-4 디멀티플렉서
• 두 수의 덧셈을 수행하는 반가산기와 전가산기 회로

특히 전가산기 시연에는 24개의 출력된 박테리아 콜로니가 사용됐다. 이는 계산 기능을 하나의 유전적으로 과부하된 세포 안에 가두지 않고, 협력하는 여러 세포 집단에 분산할 수 있음을 보여준다.

컴퓨터에는 느리지만 생물학에서는 의미가 있다

이 회로가 계산 하나를 완료하는 데 걸린 시간은 약 8시간이었다. 실리콘 기반 전자회로와 비교하면 매우 느린 속도이며, 일반적인 디지털 프로세서를 대체할 수 있는 수준은 아니다.

그러나 생물학적 문제는 전자기기의 기준으로만 평가하기 어렵다. 식물의 가뭄 스트레스, 해충 피해, 질병의 진행은 수시간에서 수일에 걸쳐 나타날 수 있다. 이런 환경에서는 신호를 감지하고 생물학적 대응을 시작하는 데 8시간이 걸리더라도 활용 가능성이 있을 수 있다는 것이 연구진의 설명이다.

즉 이 기술의 목표는 빠른 계산이 아니다. 전자 장치와 전원 공급 장치를 별도로 설치하기 어려운 장소에서 화학·생물학적 신호를 현장에서 감지하고, 필요한 반응까지 연결하는 것이다.

식물의 뿌리와 잎에서 어떤 일을 할 수 있을까

연구진은 식물과 맞닿는 환경을 잠재적인 활용처로 제시한다. 뿌리나 잎에 생체 회로를 배치해 가뭄, 곤충의 공격, 병원체와 관련된 신호를 함께 분석하고, 특정 조합이 감지됐을 때만 대응하도록 만드는 구상이다.

예를 들어 미래의 시스템은 조건이 맞을 때 살균성 물질이나 다른 식물 보호 물질의 생성을 유도할 수 있다. 다만 이는 아직 연구 방향에 해당하며, 상용 농업 제품으로 입증된 단계는 아니다. 이 사례는 전자회로보다 느린 화학 계산이더라도 생물학적 환경에 직접 통합될 경우 가치가 있을 수 있음을 보여준다.

합성생물학의 설계 방식도 달라질 수 있다

기존의 유전 회로 설계는 흔히 하나의 세포 안에 얼마나 많은 기능을 넣을 수 있는지를 묻는다. MIT의 접근법은 질문을 바꾼다. 어떤 기능을 서로 다른 세포 집단으로 나눌지, 그리고 그 집단을 어떤 순서와 위치로 배열할지를 묻는 방식이다.

이 구조에서는 유전공학이 각 strain의 능력을 정의하고, 인쇄 배치가 그 능력들을 연결한다. 소수의 특화된 부품 라이브러리로 여러 논리 회로를 구성할 수 있어, 연산마다 완전히 새로운 strain을 만드는 부담도 줄일 수 있다.

이번 연구는 미국 국방고등연구계획국(DARPA)과 미국 정보고등연구계획활동(IARPA)의 지원을 일부 받아 진행됐다.