The scientists who are creating a bio-internet of things

바이오 사물인터넷이 온다

사물인터넷은 전 세계의 기기를 연결한다. 과학자들은 박테리아를 이 네트워크에 포함시킬 방법을 찾고 있다.

사물인터넷을 위한 완벽한 장치를 설계한다고 상상해보라. 어떤 기능들이 있어야 할까? 우선 다른 장치 및 인간과 통신할 수 있어야 한다. 정보를 저장하고 처리할 수 있어야 한다. 또한 다양한 센서로 환경을 모니터링 해야 한다. 마지막으로 스스로 움직일 수 있도록 일종의 내장 엔진이 필요하다 .

이러한 기능 중 대부분을 갖춘 장치는 충분히 있다. 대부분은 라즈베리파이, 아두이노 보드와 같이 널리 쓰이는 저비용 장치를 기반으로 한다.

그러나 비슷한 기능을 가진 다른 기계들이 훨씬 더 많이 있다고 영국 런던퀸메리대학교 라파엘 김과 스테판 포슬래드는 말한다. 그들은 박테리아가 효과적으로 통신하고, 내장 엔진과 센서는 물론 강력한 정보 저장 및 처리 아키텍처를 가지고 있다고 주장한다.

그리고 그것은 흥미로운 가능성을 제기한다고 그들은 말한다. 박테리아를 사용하여 사물인터넷의 생물학적 버전을 만들지 말란 법이 없지 않은가? 그들은 이것을 가능하게 할 수 있는 몇 가지 아이디어와 기술을 제시한다.

박테리아가 정보를 저장하고 처리하는 방식은 최근 새롭게 떠오르는 연구 분야다. 이들 연구의 대부분은 대표적 박테리아인 대장균(Escherichia coli)에 초점을 맞추고 있다. 대장균 (및 그 외 박테리아)은 플라스미드(plasmids)라는 고리 모양의 DNA 구조에 정보를 저장하며, 이 정보는 접합(conjugation)이라는 과정을 통해 한 유기체에서 다른 유기체로 이동한다.

지난해 이탈리아 파도바대학의 페데리코 타벨라(Federico Tavella)와 동료 연구자들은 운동성이 없는 대장균주가 운동성이 있는 균주에 ‘Hello world’ 메시지를 전달하면 이 운동성 대장균주가 정보를 다른 곳으로 전달하는 회로를 만들었다.

이런 종류의 정보 전송은 박테리아 세계에서 상시적으로 일어나 엄청나게 복잡한 네트워크를 형성한다. 그러나 타벨라와 동료들의 원리검증(proof-of-principle) 실험은 이런 원리를 일종의 바이오 인터넷 구축에 활용할 가능성을 보여준다고 김과 포슬래드는 말한다.

대장균은 이 네트워크를 위한 완벽한 매개체다. 대장균은 운동성이 있다. 편모라는 물결 치는 실 같은 형태의 엔진을 내장하고 있어 추진력을 만들어 낸다. 대장균의 세포벽에는 온도, 빛, 화학물질 등 주변 환경을 감지하는 수용체가 있다. 대장균은 정보를 DNA에 저장하고 리보솜을 사용하여 처리한다. 대장균은 매우 작기 때문에 인간의 기술로는 접근하기 어려운 환경에서도 존재할 수 있다.

대장균은 유전자 조작을 하거나 다루기도 비교적 쉽다. 풀뿌리 차원에서 일어나는 DIY 생물학 운동은 덕분에 생명공학 도구는 더 싸고 사용하기 쉬워지고 있다. 예를 들어, 아미노 랩(Amino Lab) 같은 학생용 유전 공학 키트를 써서 대장균이 어둠 속에서 빛을 내도록 재프로그래밍 하는 등의 일이 가능하다.

이러한 바이오 해킹은 상대적으로 보편화되고 있으며, 바이오 사물인터넷의 주목할만한 잠재력을 보여준다. 김과 포슬래드는 바이오 사물인터넷의 다양한 가능성에 대해 이야기한다. 그들은 “박테리아를 프로그래밍해 바다나 스마트시티 같은 다양한 환경에 배치, 독소와 오염 물질을 감지하고 데이터를 수집하며 생물학적 정화 작업을 수행하게 할 수 있다”고 말한다.

박테리아는 질병 치료를 위해 재프로그래밍될 수도 있다. 그들은 “이를테면, 유용한 호르몬을 암호화한 DNA를 품은 박테리아가 인체 내 지정된 곳으로 헤엄쳐 간 후, 미생물의 내부 센서에 의해 필요한 때 호르몬을 생성해 방출하게 할 수도 있다”고 말한다.

물론 단점도 많다. 유전공학으로 온갖 흥미로운 실험이 가능하지만, 이를 잘못 사용할 경우 일어날 부정적 결과도 만만치 않다. 박테리아가 여러 심각한 질병의 매개체로 작용하는 상황을 상상하기란 어렵지 않다.

박테리아는 놓치기도 쉽다. 박테리아는 위성항법장치(GPS) 같은 것을 갖고 있지 않다. 그러니 박테리아를 추적하기는 어렵다. 사실, 일단 야생에 풀리면 박테리아가 전송하는 정보를 추적하는 것은 거의 불가능하다.

이것이 바이오 사물인터넷의 문제 중 하나다. 인터넷은 한 지점에서 메시지를 시작하고 보낸 사람이 선택한 다른 지점에서 메시지를 재조합한다. 이 방식으로 인간, 그리고 점점 더 많은 장치들이 전 세계에 걸쳐 서로 통신한다.

반면, 김과 포슬래드의 바이오 인터넷은 메시지를 생성하고 배포하는 방법은 제공하지만 메시지의 목적지를 제어하는 방법은 거의 없다. 박테리아 접합에 의해 생성된 바이오 네트워크는 놀라울 정도로 방대하여 정보가 어디로나 퍼질 수 있다. 박테리아의 유전 물질은 접합을 통해 효모나 식물, 심지어 포유류 세포로도 이동한다.

모든 생물은 진화 또는 성장의 압력을 받는다. 아무리 무해해 보이는 박테리아라도 진화 과정에서 돌연변이와 선택을 통해 큰 문제를 일으킬 수 있으며, 그 결과를 예측하기란 불가능에 가깝다.

나쁜 의도를 품은 사람들이 네트워크에 영향을 미치려는 시도를 할 가능성도 문제다. 일반 인터넷에는 이미 악의적인 목적으로 악성코드를 뿌려대는 사람이 너무 많아졌다. 이 사람들이 바이오 사물인터넷에 관심을 갖는다면 그것은 악몽이 될 것이다.

김과 포슬래드는 이러한 문제를 인정한다. 박테리아 기반 네트워크가 새로운 윤리적 문제를 제기할 것으로 본다. 이들은 “이러한 문제들 때문에 박테리아 기반 사물인터넷 시스템의 적용 범위를 확대함에 있어 많은 논의가 필요하다”고 조심스럽게 결론 짓는다.

이는 되도록 빨리 다룰 가치가 있는 논의이다.

논문정보: arxiv.org/abs/1910.01974 : The Thing with E. coli: Highlighting Opportunities and Challenges of Integrating Bacteria in IoT and HCI

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