나노기술 및 정책 정보

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2020 년에는 전 세계에서 각 개인이 초당 약 1.7MB의 데이터를 생산하였음. 단 1 년만에 418 제타 바이트가 생산된 것임. 현재 수명이 제한된 자기 또는 광학 시스템에서 데이터를 1과 0으로 저장함. 한편 데이터 센터는 엄청난 양의 에너지를 소비하고 엄청난 탄소 발자국을 생성함. 간단히 말해서, 계속해서 증가하는 데이터를 저장하는 방식으로 현재의 저장장치로는 지속이 불가능함. 대안으로, DNA와 같은 생물학적 분자에 데이터를 저장하는 것임. 본질적으로 DNA는 아주 작은 공간(세포, 박테리아, 바이러스)에서 대량의 유전 정보를 암호화, 저장 및 읽을 수 있도록 만들고 높은 수준의 안전성과 재현성을 제공함. 기존의 데이터 저장 장치에 비해 DNA는 더 오래 지속되고 압축되어 있으며 약 10 배 더 많은 데이터를 저장할 수 있으며 1000 배 더 높은 저장 밀도를 가져 동일한 양의 데이터를 드라이브로 저장하는 데 1 억 배나 적은 에너지를 소비함. DNA 기반 데이터 저장 장치는 매우 작음. 1 년 분량의 글로벌 데이터를 단 4 그램의 DNA에 저장할 수 있음. 그러나 DNA로 데이터를 저장하는 데는 엄청난 비용이 들고 쓰기 및 읽기 메커니즘이 고통스러울 만큼 느리며 오독에 취약함. 이를 극복할 한 가지 방법은 박테리아가 다른 세포를 파괴하기 위해 종종 구멍을 뚫는 나노 포어라고 하는 나노 크기의 구멍을 사용하는 것임. 공격하는 박테리아는 "기공 형성 독소"로 알려진 특수 단백질을 사용하여 세포막에 달라붙어 이를 통해 튜브와 같은 채널을 형성할 수 있음. 생명 공학에서 나노포어는 DNA 또는 RNA와 같은 생체 분자를 "감지"하는 데 사용됨. 생체 분자는 전압에 의해 조종되는 끈처럼 나노포어를 통과하며, 각기 다른 구성 요소는 이를 식별하는 데 사용할 수 있는 별개의 전기 신호("이온 서명")를 생성함. 그리고 나노포어는 높은 정확도를 가지고 DNA 인코딩 정보를 읽기 위해 시도되었음. 그럼에도 불구하고, nanopores는 여전히 저해상도 판독에 머무르고 있음. 이는 nanopore 시스템이 데이터를 저장하고 읽는 데 사용되는 경우 해결해야 할 실제적인 문제임.

스위스 로잔 연방 공과대학교(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne) 연구팀이 나노 포어의 잠재력으로 Aeromonas hydrophila 박테리아가 만든 기공 형성 독소 에어로 리신에 의해 생성된 나노 포어를 탐구하도록 영감을 주었음. EPFL 연구원들은 에어로 리신 나노 포어가 이진 정보를 디코딩하는 데 사용될 수 있음을 보여주었음. 2019 년 Dal Peraro의 실험실은 나노 포어가 단백질과 같은 더 복잡한 분자를 감지하는 데 사용될 수 있음을 보여주었음. 이 연구에서 팀은 Alexandra Radenovic (EPFL School of Engineering)의 실험실과 협력하여 에어로 리신을 적용하여 이 기공에서 읽을 수 있도록 정확하게 맞춤 제작된 분자를 감지했음. 이 기술은 특허로 출원되었음. 디지털 폴리머로 알려진 분자는 스트라스부르에 있는 CNRS의 찰스 사 드론 연구소(Institut Charles Sadron)의 Jean-François Lutz 실험실에서 개발되었음. 이들은 에어로 리신 나노 포어를 통과하고 약간의 데이터로 읽을 수 있는 전기 신호를 내도록 설계된 DNA 뉴클레오티드와 비생물학적 모노머의 조합임. 연구진은 정보 고분자의 신호를 판독하기 위해 나노 포어를 체계적으로 설계하기 위한 방법으로 에어로 리신 돌연변이체를 사용했음. 그들은 고유하게 식별 가능한 신호를 제공할 수 있도록 나노 포어를 통과하는 폴리머의 속도를 최적화했음. 이렇게 하여 기존의 nanopore 판독과 달리 이 신호는 정보 밀도를 손상시키지 않고 단일 비트 해상도로 디지털 판독을 수행했음. 판독 신호를 디코딩하기 위해 팀은 딥 러닝을 사용하여 폴리머에서 최대 4 비트의 정보를 높은 정확도로 디코딩할 수 있었음. 그들은 또한 이 접근법을 사용하여 폴리머 혼합물을 식별해 내고 상대적인 농도를 결정할 수 있었음. 이 시스템은 데이터 저장을 위해 DNA를 사용하는 것보다 훨씬 저렴하고 더 긴 내구성을 제공함. 또한 소형화가 가능하므로 휴대용 데이터 저장 장치에 쉽게 통합할 수 있음.

연구팀은 생체에서 영감을 받은 이 플랫폼을 데이터 저장 및 검색을 위한 실제 제품으로 전환하기 위해 몇 가지 개선 작업을 진행하고 있음. 이 연구는 생물학적 나노 포어가 하이브리드 DNA- 고분자 분석물을 읽을 수 있음을 분명히 보여주었음. 이것이 고분자 기반 메모리에 대한 새로운 유망한 관점을 열어 주면서 초고밀도, 장기 저장 및 장치 휴대성에 중요한 이점을 제공할 수 있을 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Science Advances’ ("Aerolysin nanopores decode digital information stored in tailored macromolecular analytes") 지에 게재됨