[첨단 헬로티]

노버트 위너(Norbert Wiener)의 ‘사이버네틱스(Cybernetics)’(1948년)는 생물과 인공물에 공통되는 통신과 제어의 구조, 즉 정보 시스템으로서 생물이나 기계의 수리적 구조를 의논한 것이다. 잘 알려져 있듯이 이 책에서 피드백을 비롯한 다양한 제어기구가 생물에도 포함되어 있는지와 이러한 제어기구의 실체인 뇌 신경계의 수리 모델이 고찰되어, 이후의 제어공학이나 로봇공학의 출발점이 됐다.

1961년에 출판된 증보판에서는 자기조직화, 자기복제, 적응과 진화 등 생물 특유의 성질 수리까지 더욱 깊이 파고든 의논이 이루어졌다. 사이버네틱스의 의의는 이와 같이 생물과 인공물을 정보 시스템론이라는 공통의 틀에서 파악한 점에 있었다.

 

이와 때를 같이해 왓슨과 크릭에 의해 DNA의 2중나선 구조가 해명되어, 생물이 어떻게 유전 정보를 전달하는지가 밝혀졌다(1953년). 이것을 계기로 분자생물학이 큰 발전을 이루기 시작한다. 분자생물학에 의해 DNA, RNA, 단백질 등 생체를 구성하는 분자와 그 기능, 즉 생명현상의 물질적 기반이 드러나게 되고, 모든 생물에 공통되는 기본 원리로서 DNA→RNA→단백질의 순서로 (유전) 정보가 전달된다고 하는, 이른바 센트럴 도그마가 확립됐다.

또한, 자코브(Jacob)와 모노(Monod)에 의한 오페론의 발견을 계기로 유전자의 발현 조절기구가 차례로 밝혀졌다. 그리고 그 후의 연구를 통해 세포 내와 세포 간의 통신과 제어는 시그널 전달 시스템이라고 불리는 복잡한 생화학 반응계가 담당하고 있다는 것이 밝혀졌다.

시그널 전달은 외계로부터의 자극을 여러 종류의 정보 분자가 시공간적으로 전달함으로써 엄청난 노이즈 속에서 미약하지만 의미 있는 신호를 선택, 판단해 최종적으로는 유전자의 발현 제어를 하는 구조이다. 이렇게 현재는 생물 시스템의 분자 수준의 전체상이 어느 정도 보이고 있다. 생물은 방대한 분자간 상호작용으로 실현된 ‘화학의 원리’에 따르면 극히 고도의 정보처리 시스템이라고 해도 좋은데, 단 너무나 복잡하기 때문에 그것을 수리의 언어로 이해할 수 있게 되기까지는 아직 당분간은 더 기다려야 될 것 같다.

한편, 2000년경부터 생체고분자를 소재로 하는 분자 나노 테크놀로지의 시대가 시작되어 DNA, RNA, 펩타이드 등 생체고분자의 동작원리를 이용해 인공적인 분자 디바이스를 설계하는 것이 가능해졌다. 그 중에서도 인공적으로 합성한 DNA 분자를 소재로 하는 DNA 나노 테크놀로지의 발전은 엄청났다.

DNA는 비교적 간단히 합성할 수 있으며, 2중나선 형성(2가닥 사슬 형성)의 매우 특이한 배열을 이용해 다양한 분자 구조를 자기집합적으로 만들거나, 2가닥 사슬 형성 반응을 복잡하게 조합한 동적인 반응계를 만들거나 할 수 있다. 실제로 수천～수십만 염기의 DNA 염기 배열을 분자 CAD로 설계함으로써 정밀한 형상을 갖는 거대 분자(DNA 타일이나 DNA 오리가미라고 불리는 나노 구조)를 제작하는 기술이 확립되어 있으며, 또한 DNA의 사슬 치환반응이나 효소반응을 조합해 복잡한 입출력 관계를 갖는 반응회로(DNA 논리회로, DNA 컴퓨터)의 설계가 가능해졌다.

이러한 이른바 부품 수준의 분자 디바이스 연구 개발의 다음 단계로서 분자 수준의 센서, 프로세서, 액추에이터를 조합한 시스템, 즉 ‘분자 로봇’의 실현을 목표로 하는 ‘분자 로보틱스’라고 불리는 연구 분야가 일어나고 있다. 분자 로보틱스는 정보학, 공학, 화학, 생명과학이 서로 겹치는 곳에 생겨난 새로운 학술 영역으로, 고분자의 배열 그 자체에 정보를 기록해 분자의 반응을 프로그램하고, 상향식으로 인공 시스템을 만드는 것을 목표로 한 학술 영역이다. 

분자 로봇의 명확한 정의는 없지만, 분자 로보틱스에서는 시스템을 구성하는 분자 그 자체로부터 설계하고(생체 세포에서 추출한 분자를 이용하는 경우도 있지만, 미지의 팩터를 가급적 제거해 부품으로서 이용한다), 이들 분자를 이론으로 조합해 시스템화하는 것을 목표로 한다. 생물학이 미지의 생명 시스템을 해명하는 입장인 것에 대해, 분자 로보틱스는 상향식으로 시스템을 구축하는 방법론을 찾는 엔지니어링이다. 물론 생물학적인 원리만으로 시스템 전체를 만들 필요는 없고 마이크로 디바이스나 전자 디바이스의 융합도 있을 수 있으며, 사용하는 분자도 DNA나 아미노산에 한정하지 않고 다양한 분자 재료를 필요에 따라 적절히 사용하면 된다는 입장이다.

당연히 분자 로보틱스는 제어공학이나 시스템공학 등의 분야 횡단적인 학술 분야와 관련이 깊다. 계측자동제어학회 시스템정보 부문에서는 2009년에 세계에서 처음으로 ‘분자 로보틱스’를 대상으로 하는 전문 연구회 ‘분자 로보틱스 조사연구회’(현재는 지능분자 로보틱스 조사연구회)를 설치, 이 분야의 연구를 선도해 왔다.

본 조사연구회는 계측자동제어 분야의 연구자뿐만 아니라, 컴퓨터 사이언스, 마이크로 디바이스, 생물물리, 생체분자공학, 고분자화학 등 폭넓은 분야에서 많은 젊은(및 자칭 젊은) 연구자가 모여 있으며, 개방적이고 학제적인 분위기 속에 연구회 및 대회의 개최나 학생공모전 지원 등의 활동을 통해 분자 로보틱스에 관한 다양한 정보 교환을 하는 장을 제공하고 있다. 또한, 학부생의 계몽에 힘을 쏟고 있는 것도 특색으로, 2011년부터 매년 미국에서 열리는 국제생체분자디자인공모전(BIOMOD)에 출전하는 학생 팀을 지원하고 있다(2018년도는 도호쿠 팀이 종합 우승. 그림 1). 이 밖에 분자 로보틱스의 윤리를 생각하는 워킹 그룹도 활동을 시작하고 있다.

분자 로보틱스 프로젝트 

과학연구비 신학술 영역 ‘분자 로보틱스’(2012～2017년, 영역대표 하기야 마사미)는 지능분자 로보틱스 조사연구회의 전신인 분자 로보틱스 조사연구회가 주체가 되어 제안한 프로젝트이다. 이 프로젝트에서는 앞에서 말한 DNA 나노 테크놀로지를 핵심 기술로 다양한 디바이스의 시스템화에 대응했다. 구체적으로는 분자 로봇의 기본 요소인 분자 센서나 분자 액츄에이터, 분자 로봇의 지능을 담당하는 분자 프로세서의 개발과 함께, 이들을 조합 한 프로토타입 분자 로봇을 개발했다. 아메바형 분자 로봇 프로토타입은 본 프로젝트의 하이라이트 중 하나로, 영역의 총력을 기울여 개발에 대응한 것이다.

아메바형 분자 로봇은 DNA 광센서, DNA 증폭회로, 미세소관·키네신 분자 모터를 리포솜(=인공지질 2중막 캡슐) 내에 통합한 시스템이다(그림 2). 아메바형 분자 로봇에 대한 입력 신호로서는 인공 DNA의 광개열 반응을 이용해 특정 파장의 빛이 입사되면, 일정 염기 배열을 가진 DNA 1가닥 사슬(DNA 시그널)이 리포솜 내에 발생하도록 되어 있다. 이 DNA 1가닥 사슬이 분자 클러치라고 불리는 액추에이터의 제어기구를 제어한다.

아메바형 분자 로봇 중에는 분자 모터의 일종인 미세소관을 인공적으로 중합한 것과 이것과 미끄럼 운동을 일으키는 키네신 분자가 내포되어 있으며, 분자 클러치에 의해 미세소관과 키네신 사이의 미끄럼 운동이 리포솜 내막에 기계적으로 전달되어 아메바 모양의 변형운동을 발생시킨다. 이것은 빛으로 준 정보를 DNA의 배열 정보로 변환, 또한 그것이 단백질로 이루어진 분자 모터의 동작을 제어한다고 하는, 이종 분자 시그널, 이종 분자 디바이스를 시스템으로서 통합한 최초의 예이다.

분자 로보틱스의 과제 

아메바형 분자 로봇과 같은 인공 분자 시스템을 실현하기 위해서는 몇 가지의 장애물을 넘어야 한다. 우선 최저 조건으로서 개별 분자 디바이스가 예상한 대로의 기능 혹은 입출력 관계를 갖고 있어야 한다. 분자 디바이스의 동작은 기본적으로 화학반응으로, 기본 과정의 모델화부터가 어려운 경우가 많다. 또한, 대부분의 반응은 순반응과 역반응의 양쪽이 있는 평형반응이기 때문에 순반응만을 꺼낼 수 없다. 따라서 단일의 분자 디바이스에 대해서도 모델링, 설계, 시뮬레이션 및 실험에 의한 검증의 반복을 필요로 한다.

그렇게 해서 분자 디바이스가 생겨도 여러 개의 다른 분자 디바이스를 조합했을 때, 기대한 대로의 방법으로 연계시키기 위해서는 다른 어려움이 있다. 즉 다른 분자 디바이스가 동일한 반응 공간에 공존하기 위해서는 어느 쪽의 반응이나 잘 진행되는 조건을 찾아야 하며, 반응물의 농도, 온도, 염농도, 기타 성분 등의 조정이 필요하다.

또한, 여러 개의 분자, 분자종이 공존하는 이른바 협잡계에서는 종종 예기치 않은 분자간의 상호작용(크로스 토크)가 존재하는 것이 문제가 된다. 서로 간섭하기 어렵게 분자 설계하던가, 간섭해도 소기의 기능은 발현되는 반응계를 설계할 필요가 요구된다. 생물에서는 이러한 문제는 잘 해결되어 있는 것처럼 보이며, 자기복제까지 잘 해내는 매우 복잡한 시스템이 실현되어 있다. 거기에는 아직 우리가 모르는 많은 원리가 있을 것이다.

분자 로보틱스는 생물에서 실현되고 있는 분자 시스템의 원리를 우리가 이해할 수 있는 범위에서 공학적으로 정리, 재구축하려고 하는 것이라고 할 수 있다. 그런 의미에서 분자 수준의 테크놀로지를 통해 사이버네틱스를 재구축하는 시도라고 할 수 있다. 생물만큼 복잡한 것을 만들 수 없어도 이것이 어느 정도 성공하면, 새에서 비행기가 탄생했듯이 생물에서 배운 원리를 생물과는 전혀 다른 방법으로 공학적으로 확장할 수 있게 될 것이다.

이 글에 대해서

이 글에서는 지능분자 로보틱스 조사연구회의 멤버로, 분자 로보틱스에 관련된 토픽을 제어공학적인 시점에 중점을 두고 설명했다. 분자 시스템·분자 로봇의 형태에도 여러 가지의 것이 있으며, 또한 순수한 이론적 연구에서부터 웨트 실험을 포함한 실장도 하고 있는 것까지 여러 가지 접근이 있다는 것을 이해했을 것으로 생각한다.

여기서 이번 글의 내용에 대해 간략하게 소개하고자 한다. 우선, 전기통신대학의 코바야시 사토시씨는 화학반응으로 실장하는 컴퓨터라는 관점에서 ‘분자 컴퓨터 설계를 위한 계산 모델’을 해설했다. 분자 컴퓨터를 설계할 때의 기반이 되는 분자반응을 이용한 계산 모델에 대해 지금까지 제안된 이산 모델, 연속 모델, 하이브리드한 모델 등이 소개되어 있다. 

규슈공업대학의 나카쿠키 타카시씨는 ‘DNA 분자반응 회로의 모듈성과 로버스트성’에 대해, 제어이론의 관점에서 이른바 효소 없는 DNA 반응계의 설계에 대해 자신의 연구 성과를 중심으로 해설했다. DNA 사슬 치환반응을 기본 연산 요소로 하고, 그들의 조합에 의해 만들어지는 회로(DNA 분자 반응회로)는 분자 로봇에 응용이 특히 기대되는 기술인데, 규모가 큰 DNA 회로의 실현에는 아직 해결해야 할 문제가 많다. 여기서는 DNA 회로가 갖는 모듈성과 로버스트성에 기인하는 이론 및 실장 상의 문제점과 그 해결 방법에 대해 해설했다.

게이오대학의 호리유타카씨는 ‘생체 분자 시스템의 확률 동요의 모델링과 해석’이라는 제목으로, 세포나 분자 로봇과 같은 미소 공간에서 생기는 화학반응에서 분자의 소수성을 이용한 제어에 대해 해설했다. 여기서는 생체분자 시스템의 확률 동요의 수리 모델이나 미소 공간 내의 확률적인 반응을 해석·시뮬레이션하기 위한 수리적인 준비가 소개되어 있다.

나고야대학의 아즈마 슌이치씨는 ‘미생물의 주화성을 담당하는 제어기의 성능 해석’에 대해, 미생물의 운동제어 시스템의 수리 모델을 소재로 해설했다. 생체 활동을 담당하는 제어기의 대부분이 어떤 종류의 확률 요소를 적극적으로 활용해 능숙한 제어를 실현하고 있다. 여기서는 자신의 최신 성과와 함께 미생물의 주화성을 담당하는 확률 제어기의 성능 해석 방법에 대해 소개했다.

도호쿠대학의 카와마타 이부키씨와 필자는 ‘사슬 교환반응을 이용한 DNA 확산 속도의 제어’에 대해 해설했다. 튜링 패턴 등 반응과 확산의 조합에 의해 여러 가지 시공간 패턴을 만들어내는 방법은 생물계에서도 보편적으로 볼 수 있는 형태 형성 메커니즘이다. 지금까지 반응항의 부분을 DNA 컴퓨팅으로 설계한 예는 있었지만, 개별 분자의 확산항을 제어하는 기술은 없었다. 여기서는 하이드로겔 중의 분자 확산 속도의 조절기구에 의해 확산 속도를 제어하는 기술에 대해 소개했다. 이러한 기술은 분자 수준의 제어에 의해 인공장기와 같은 매크로한 패턴을 조형하는 데 응용할 수 있다.

오차노미즈여자대학의 Nathanael AUBERT-KATO씨와 도쿄대학의 하기야 마사미씨는 ‘Designing Controllers for Molecular Robots with the PEN DNA Toolbox’라는 제목으로, 분자 로봇의 제어기 설계 및 최적화 수법에 대해 해설했다. PEN 툴박스란 폴리메라아제, 뉴클레아제, 니카제 등 3종류의 효소를 이용해 DNA의 임의 반응 다이내믹스를 실장하는 기술이다. 여기서는 시스템의 복잡성에 따라 3가지 단계의 설계 방법이 있다는 것을 소개했다. 즉, 단순한 시스템은 PEN의 기본 반응 모듈의 조합으로 설계할 수 있지만, 좀 더 큰 시스템에서는 반응이 비선형이 되기 때문에 자동 설계 및 최적화가 필요하다. 또한, 복잡한 시스템에 대해서는 레저버 컴퓨팅과 같은 복잡계의 접근이 필요하게 된다.

도쿄공업대학의 타기노우에 마사히로씨는 ‘세포를 모방한 분자 로봇을 위한 컴퓨터 제어형 마이크로 리액터’라는 제목으로, 마이크로 유체 디바이스를 이용한 분자 시스템 구축 방법론에 대해 해설했다. 물질이나 에너지의 유입출이 있는 비평형 동적인 분자 로봇이나 인공세포를 구축하기 위해서는 마이크로미터 스케일의 미소한 마이크로 리액터 및 그 중의 반응을 컴퓨터로 정밀하게 제어하는 기술이 필요하다. 여기서는 컴퓨터로 제어 가능한 드롭렛 마이크로 리액터를 이용한 반응 제어 기술, 특히 비선형 진동반응 제어의 실례가 소개되어 있다.

효고현립대학의 이소카와 테이지로우씨와 NICT/오사카대학의 페퍼 페르디난드씨는 ‘분자 규모의 구성 요소를 가정한 󰡐계산을 하는 시스템󰡑의 구성’이라는 제목으로, 미래적으로 예상되는 분자 로봇의 집단 시스템의 설계 문제에 대해 해설했다. 여기서는 저자 등이 제안하는 간단한 동작기구를 갖는 분자 에이전트 모델을 사용해 분자 로봇의 집단인 스웜 네트워크를 구성한 예에 대해 소개했다.

규슈대학의 야마우치 유키코씨는 ‘분자 로봇 시스템을 위한 분산 시스템 이론’이라는 제목으로, 분산 시스템론의 관점에서 분자 로봇에 가해지는 다양한 제약 조건과 그 무리가 이루는 분자 로봇 시스템이 지닐 수 있는 기능의 관계에 대한 이론 연구를 해설했다. 구체적으로는 분자 로봇의 익명성, 무기억성, 비동기성, 국소성, 랜덤성 등을 전제로, 계산 능력과 이동 능력을 갖춘 계산 주체군으로 이루어지는 분산 시스템이 갖는 분산 계산 능력의 관계에 대해 해설했다.

분자 로보틱스 : 분자 시스템 디자인의 미래

분자 로보틱스는 분자 그 자체를 설계하는 화학을 분자 시스템의 수준으로까지 끌어올리는 방법론으로, 여러 가지 응용을 생각할 수 있다. 가장 가까운 미래에 응용이 생각되는 것은 의료 분야로, 정보처리 기능을 갖춘 미소 인공세포에 의한 약제 송달(DDS)나 세포 내 핵산 의약, 인공 오르가넬라에 의한 iPS 세포군의 분화 유도, 이것을 응용한 재생의료, 인공장기 제작 등을 생각할 수 있다. 또한, 환경 분야에서도 유영하는 인공세포에 의한 환경정보의 수집·모니터링, 인체 등 생체 내의 분자 샘플&리턴 등의 응용을 생각할 수 있다.

로봇의 이미지에서는 조금 벗어나 있지만, 인공효소 시스템, 인공광합성 등의 복잡한 반응장의 자기 조직적 구축이나 분자 뇌의 구축 등 복잡한 분자 시스템의 구축도 분자 로보틱스 기술의 중요한 응용이다.

그렇다고 해도 현재의 분자 로보틱스는 아직 초기 단계에 있으며, 이것을 실용에 견딜 수 있는 방법론으로까지 단련해 가야 한다. 분자 시스템의 무한이라고 할 수 있는 가능성은 생물에서 실증이 완료됐으며, 이것을 인공물의 설계론으로서 재구축하는 것은 궁극의 공학적 과제이다.

무라타 사토시, 도호쿠대학 대학원 공학연구과