‘지오박터’ 전기전도성 단백질 나노와이어‘초저전력’ 구현

인간 두뇌처럼 학습에 따른 새로운 연결 형성, 가소성 확인

과학자들이 인간 뇌 시냅스와 같은 기능과 작동을 하는 생물학적 시스템에 기반한 맴리스터(Memristors) 소자를 개발했다.

미국 매사추세츠 에머스트대학(University of Massachusetts Amherst)연구팀은 단백질 나노 와이어를 생물학적, 전기 전도성 필라멘트로 활용해 신경망을 모사한 맴리스터 또는 “메모리 트랜지스터”장치를 만드는 방법을 발견했다.

장치는 뇌와 같이 뉴런 사이에 신호를 전달하기 위해 매우 낮은 전력에서 매우 효율적으로 실행된다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다.

뉴로모픽 컴퓨팅(neuromorphic computing)의 가장 큰 장애물 중 하나로 도달할 수 없는 것으로 여겨진 것은 뉴런의 매우 낮은 활동 전위다. 대부분 기존 컴퓨터가 1볼트(volt) 이상에서 작동하는 반면 뇌는 뉴런 사이에서 활동 전위라고 하는 신호를 약 80밀리볼트(millivolts) 에서 보낸다.

제1저자 티안다 푸(Tianda Fu) 전기 및 컴퓨터 공학 박사과정에 따르면, 지난 10여년 간에는 기존 컴퓨터와 유사한 범위에서 전압이 형성, 그보다 더 낮아지면 장치의 작동이 불가능했다.

푸는 미생물학자이자 공동 저자인 데렉 러블리(Derek Lovely)가 박테리아 지오박터(Geobacter)로부터 메사추세츠 에머스트대에서 개발한 단백질 나노 와이어를 사용해 멤리스터가 신경학적 전압에 도달했다고 보고했다.

테스트는 공동저자 준 야오(Jun Yao) 실험실에서 수행됐다. 장치가 뇌와 동일한 전압 수준에서 작동한 것은 이번이 처음이다. 생물학적 두뇌 수준의 초 저전력 컴퓨팅에 대한 현실적인 증거를 제시한 연구다.

러블리는 지오박터의 전기전도성 단백질 나노와이어는 독성 화학물질과 고 에너지공정을 필요로하는 고가의 실리콘 나노와이어에 비해 많은 장점을 제공한다. 단백질 나노와이어는 또한 생체의학 응용에 중요한 물 또는 체액에서 더 안정적이다. 이 연구를 위해 연구원들은 박테리아에서 나노 와이어를 전단해 전도성 단백질만 사용, 선별한 나노와이어를 서로 다른 전압에서 테스트 중이다.

credit:Ivan Dimkovic/YouTube.

연구팀은 멤리스터의 금속 스레드를 통해 전달되는 양-음전하의 펄스 온-오프 패턴을 전기 스위치로 구성했다. 단백질 나노 와이어는 금속 환원을 촉진해 금속 이온 반응성 및 전자 이동 특성을 변화시키기 때문에 금속 와이어를 사용했다.

러블리는 야생의 박테리아 나노 와이어가 우리가 산소를 호흡하는 방식으로 금속을 흡인하고 화학적으로 환원하는 이 미생물 능력이 놀라운 것은 아니라고 말한다.

야오는 온-오프 펄스가 금속 필라멘트에 변화를 가져 오면서 모발의 직경보다 100배 더 작은 장치에서 새로운 분기 및 연결이 생성된다고 설명한다. 실제 두뇌에서 학습과 유사한 효과(새로운 연결)를 생성한다는 것이다.

그는 “나노 와이어-멤리스터 시냅스의 전도도 또는 가소성을 조절해 뉴로모픽 컴퓨팅을 위한 생물학적 구성 요소를 에뮬레이션 할 수 있다. 이 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 비교할 때 소프트웨어 기반이 아닌 학습 기능을 가지고 있다”고 덧붙였다.

푸는 “우리가 처음 수행한 실험에서 나노 와이어 성능은 만족스럽지 못했지만 계속 진행하기에 충분했다”고 회상했다. 2년 동안 그들은 전압 측정치가 계속 내려가는 것을 목격했다.

연구팀은 메커니즘에 대한 더 많은 연구를 통해 이 발견을 추적하고, 멤리스터 단백질 나노 와이어의 화학, 생물학 및 전자공학적 측면 연구를 지속할 계획이다.

야오는 “이것은 언젠가 이 장치가 생물학적 시스템에서 실제 뉴런과 소통할 수 있는 가능성에 대한 희망을 제공한다”고 덧붙였다.

*Bioinspired bio-voltage memristors, Nature CommunicationsDOI: 10.1038/s41467-020-15759-y