일본산업뉴스요약

Next Tech 2030
DNA컴퓨터를 사용한 질병 진단
도쿄농공대학, 암 조기 진단용 기술 개발

인공 합성한 DNA 분자를 조합하여 시험관 속에서 정보를 처리하는 ‘DNA컴퓨터’. 콘셉트가 생긴 것은 25년 전이다. 그러나 최근에 와서 의료 응용을 시야에 넣은 연구가 시작되었다. 도쿄농공대학의 가와노(川野) 교수 연구팀은 DNA컴퓨터를 사용하여 체내의 물질 증감을 통해 질병을 판정하는 기술 개발에 착수한다. 2030년 무렵에는 간단하게 각종 암을 검사할 수 있는 방법이나, 체내에서 핵산의약을 합성하여 장기를 치료하는 인공세포가 실현될지도 모른다.

“DNA컴퓨터의 계산에는 이 장치를 사용한다”. 연구실에서 가와노 교수가 꺼낸 것은 손바닥 크기의 플레이트다. 한 변 길이 1mm 크기의 정육면체 홈이 쌍을 이루며 늘어서 있고, 그 안에는 용액이 채워져 있다. 홈에 인공 합성된 DNA와 조사하고 싶은 혈액 등을 섞으면, 혈중에 포함되는 마이크로RNA라는 물질의 종류에 따라서 인공DNA의 모양이 바뀐다. 이 모양의 변화를 홈에 내장한 전극을 통해 전기 신호로 검출하는 시스템이다.

예를 들면, 담관암 환자 중에는 특정 5종류의 마이크로RNA가 증가한다. 이 경우는 5종류의 모든 마이크로RNA와 결합했을 때만 긴 나선형 모양이 되는 인공DNA를 합성해 둔다. 담관암에 걸린 사람의 혈액 샘플과 섞었을 때만 인공DNA 분자의 모양이 변화하기 때문에 병을 진단할 수 있다.

가와노 교수 연구팀은 국립국제의료연구센터가 소유하고 있는 담관암 환자와 건강한 사람의 혈액 샘플을 사용하여 진단이 가능한지 실험하였다. 그 결과, 5종류의 마이크로RNA의 양을 개별로 측정하는 기존의 방법보다도 정확하게 발증 유무를 식별할 수 있었다.

마이크로RNA는 암의 종류에 따라서 양이 증감한다. 예를 들면, 폐암의 경우는 약 20종류의 마이크로RNA의 양이 상승하는 한편, 다른 약 30종류가 감소한다. 다양한 마이크로RNA의 양을 개별로 측정하기에는 시간이 걸린다.

DNA컴퓨터의 경우는 병과 관련된 마이크로RNA의 복잡한 조건을 미리 인공DNA에 내장, 1회의 반응으로 진단할 수 있다. 정기적인 건강 진단에 사용하면 다양한 암을 조기 발견할 수 있다. “정밀한 검사가 필요한 사람을 찾아내는 1차 검사에 사용할 수 있으면 좋다”라고 가와노 교수는 말한다. 의료현장에서 환자에게 맞춘 치료법을 선택할 때도 사용할 수 있을 것으로 보고 있다.

가와노 교수 연구팀은 DNA컴퓨터를 사용해 암을 치료하는 기술도 개발 중이다. 세포 안에서 다른 유전자의 작용을 제어하는 핵산의약 배열을 인공DNA에 내장, 인공세포에 넣어 대상 장기에 보낸다. 조건이 갖춰졌을 때만 인공DNA의 구조가 변하면서 핵산의약 배열을 활동시킨다.

진단 정밀도를 높이기 위해서는 앞으로 마이크로RNA와 질병의 관계가 상세하게 해명될 필요가 있다. 환자의 검체를 사용하는 대규모 시험도 필요하다. 인공DNA 등을 포함하는 인공세포를 체내에서 운반하는 방법도 과제다.

마이크로RNA 등의 복수 물질의 증감을 통해 질병을 진단∙치료하는 연구는 왕성하다. 이러한 흐름이 앞으로 DNA컴퓨터의 연구를 가속시킬 것으로 보인다.

-- 수학에서 진전, 응용연구 가속 --
DNA컴퓨터 연구의 역사는 25년이다. 오랫동안 기초적인 기술 개발에 머물러 있었지만 최근에는 관련 분야의 진전으로 응용을 시야에 넣은 연구가 증가하고 있다.

DNA컴퓨터의 콘셉트는 미국의 수학자 레오나르도 애들먼이 1994년에 제창하였다. 애들먼은 실제로 DNA컴퓨터를 사용하면 복수의 도시를 최단 거리로 돌 수 있는 방법을 조사하는 ‘순환 세일즈맨 문제’를 풀 수 있다고 하였다.

2006년에는 미국의 생화학자인 Paul W. K. Rothemund가 ‘DNA 접기기술(DNA origami)’을 발표. DNA 분자를 설계하여 좋아하는 평면이나 입체 구조를 만드는 기술이다. 도쿄농공대학의 가와노 교수는 그 의의를 “정보를 DNA의 형태로 표현할 수 있었던 획기적인 사례다”라고 설명한다.

세포의 대사는 복잡한 정보처리로도 비유된다. DNA컴퓨터는 이를 직접 해석할 수 있는 기술이다. 생체와의 친화성이 높아 이른 시기부터 의학이나 생물학 분야에서 유전자 해석 등에 응용될 것으로 기대를 받아 왔다. 그러나 계산 결과에 상당하는 DNA의 모양 변화를 간단하게 조사하는 방법이 없기 때문에 좀처럼 응용이 진척되지 못했다. 최근에는 DNA의 배열이나 다양한 생체 물질의 모양을 대형 분석 장치를 사용하지 않고 조사하는 기술이 진전되면서 응용연구로 이어지고 있다.

● DNA컴퓨터 연구의 동향

 -- 끝 --