Physical synthesis of DNA circuits with spatially localized gates

Abstract

DNA를 이용하여 회로를 만들고 나노 레벨에서 연산을 하려는 연구는 이전부터 많이 시도되었다. 전통 적으로 DNA를 이용한 연구는 용액 속을 표류하는 DNA들의 결합을 이용하였다. 그러나 이런 방식은 DNA 분자들이 만나서 결합하기까지 시간이 많이 소요되고 용액 속의 모든 DNA가 가까이 있을 확률이 존재하기 때문에, 사용되는 모든 DNA 분자들 간의 연결관계를 디자인해야 했다. 최근 들어서는, DNA 나노기술의 많은 발전으로 새로운 방식으로 DNA 회로를 만드는 법이 연구되고 있다. 기존의 방식이 용액 속을 표류하는 DNA 들의 결합을 이용하는 방식이었다면, 최근에는 DNA들을 가까운 곳에 배치시킨 후에 결합을 유도하는 방식이 활발히 연구되고 있다. 가장 대표적으로 사용되는 방식이 DNA 오리가미를 이용하여 만든 DNA 보드 위에, DNA 헤어핀이라는 구조를 이용하여 회로를 만드는 방법이다. 이러한 회로의 생산비용의 대부분을 차지하 는 것은 DNA 오리가미의 제작비용이다. 그러나 그 동안은 DNA를 이용하여 어떻게 디지털 회로를 만들 수 있을까에 대한 연구가 주로 이루어졌다. 본 논문에서는 현실적이고 안정적인 동작을 보장하는 DNA 회로의 합성 방법을 제안하였다. 3가지 문제 를 해결하여 회로 합성 기법을 제안하였다. DNA 회로에 사용되는 DNA 게이트는 확률적인 동작을 하는데, 출력의 신뢰도는 게이트의 면적과 반비례 한다. 그렇기 때문에 회로 출력을 신뢰가능하면서도 회로가 지나치 게 커지지 않게 적절한 게이트 사이즈를 결정하는 것이 중요하다. 회로 출력의 신뢰도를 확보하기 위한 DNA 게이트 설계 알고리즘을 먼저 제안 하였다. 최적해를 찾는 것이 매우 오래 걸리는 작업이기 때문에, 시리즈로 연결된 게이트들의 출력이 가지는 신뢰도를 분석하고 체계화하여 회로 출력의 신뢰도를 결정할 수 있는 알고 리즘을 제안하였다. 그 다음으로는 DNA 오리가미의 비용을 줄이기 위해, 시뮬레이티드 어닐링이라는 기법을 사용하여 DNA 게이트들을 면적최소화 되도록 배치하는 방법을 제안하였다. 기존의 게이트 배치 문제와 달리, DNA 게이트들은 형태가 바뀔 수 있고 서로 겹쳐져서 배치될 수 있다는 점을 이용하여 배치하기 위해 시뮬레 이티드 어닐링이라는 확률적인 기법을 이용하였다. 마지막으로는 위치가 결정된 DNA 헤어핀들이 간섭 없이 필요한 DNA헤어핀과만 동작할 수 있도록, 각 DNA 헤어핀에 어떤 DNA 메인을 사용하여야 하는가에 대한 문제를 그래프 컬러링 문제로 풀었다. DNA 헤어핀들의 결합에 이용되는 DNA 도메인은 그 길이와 숫자에 한 계가 있기 때문에 최소한의 종류를 찾는 것이 필요하다. 본 논문에서는 도메인 정보를 가진 그래프를 만든 뒤 컬러링 문제를 해결하여 필요한 최소한의 종류의 도메인을 구했다. 우리가 제시한 문제가 고려되지 않은 합성 기법과 비교하였을 때, DNA AND 게이트의 면적은 평균 29%가 줄어들었음을 관찰하였다. 회로의 boudning box area는 평균 69% 줄어들었음을 확인하였다. 본 논문을 통해 미리 설정한 회로 출력의 신뢰도와 필요한 도메인의 숫자를 만족시키면서 면적이 작은 DNA 회로 합성결과를 확인하였다.