박테리아를 이용한 비밀 메시지 전달

지난 천년 동안 사람들은 보이지 않는 잉크를 이용해서 비밀스러운 메시지를 전하곤 했다. 이 보이지 않는 잉크는 특정한 빛이나 화학물을 사용해야만 읽을 수 있다. 현재 과학자들은 자라고 있는 박테리아의 색깔에서 나타나는 메시지의 암호를 풀 수 있는 방법을 마련했다. 이 기술은 미생물 어레이를 프린트하여 만든 스테가노그래피 (steganography by printed arrays of microbe, SPAM)라 불리는 방법으로 보낼 수 있는 메시지를 만들어 항생제와 함께 풀어 간단한 장비를 이용하여 해독해 낼 수 있는 방법이다. 이 방법은 학술지인 ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’지에 발표되었다. 몇 년 동안 과학자들은 DNA나 단백질과 같은 생물학적 입자의 메시지를 부호화할 수 있었다. 생물학자인 크레이그 벤터 (Craig Venter)는 지난 해 발표된 부분적으로 인공합성된 박테리아의 DNA에 자신의 이름을 부호화하여 넣은 바 있었다 (Gibson, D. G. et al. 2010).

터프츠 대학 (Tufts University)의 화학자인 마뉴엘 팔라시오스 (Manuel Palacios)의 연구팀은 일곱 가지 계통의 대장균 박테리아를 이용하여 메시지를 부호화하는 단순한 방법을 개발했다. 각각 대장균은 각기 다른 형광성 단백질을 만들도록 공학적으로 조작되었으며 이 형광성 단백질은 적절한 불빛 아래에서 각각 다른 색깔을 발하도록 되어있다. 팔라시오는 “우리는 정말 쉽게 관찰가능한 특징을 사용하기를 원했다”고 말했다. 벤터가 보여준 기술과 같은 기술들은 DNA 염기서열을 분석하고 메시지를 풀어낼 수 있는 복잡한 장치를 필요로 한다. 하지만 팔라시오에 의하면 “우리의 경우에 빛을 발광성 다이오드 (diodes)와 아이폰이 이 모든 작업을 하게 된다”고 주장했다.

박테리아 군집은 짝을 이룬 점의 일렬형태로 배양되었다. 각각 두 가지 색깔이 각기 다른 글자나 숫자 또는 기호에 대응하도록 결합되어 있었다. 예를 들어 두 개의 노란 점은 ‘t’자를 그리고 오렌지와 녹색 점은 ‘d’로 부호화했다. 일단 박테리아가 배양되면 이 군집의 패턴은 니트로셀룰로오스 (nitrocellulose)위에 새겨지게 되고 이것을 봉투에 넣어 부칠 수 있다. 이러한 재료는 동일한 패턴으로 박테리아를 다시 자라게 할 수 있고 이 메시지를 해독할 수 있게 된다. 적절한 대장균 계통을 선택하게 되면 사람들은 특정한 시간이 지난 후에 메시지가 나타나거나 또는 텔레비전 프로그램인 미션 임파서블 (Mission: Impossible)에서 나오는 자기파괴형식의 메모처럼 천천히 퇴화되게 되도록 하는 메시지를 보낼 수 있게 된다.

팔라시오는 또한 항생제를 숨겨진 메시지를 풀어내는 일종의 열쇠로 사용하는 방법을 개발했다. 이 방법은 특정한 항생제에 저항성을 갖을 수 있도록 하는 형광성 단백질의 유전자와 연결시킴으로써 가능하다. 이 원칙을 증명하기 위해 그는 SPAM위에 항생제인 암피실린 (ampicillin)에 노출시기케 되면 “이것은 바이오 부호화된 메시지로 터프츠 대학의 월트 실험실에서 2011년에 작성한 것임 (this is a bioencoded message from the walt lab @tufts university 2011)”라는 메시지를 읽을 수 있다. 만일 그가 카나마이신 (kanamycin)을 대신 이용하게 되면 이 박테리아는 각기 다른 색깔을 발하게 되고 “당신은 잘못된 해석기를 사용했으며 메시지는 알 수 없는 말이다 (you have used the wrong cipher and the message is gibberish”라는 메시지가 나타나게 된다.

이 프로젝트는 미국 방위발전연구프로젝트청 (US Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)의 지원을 받아 이루어졌다. 이 당국은 전기적 신호가 아니라 화학적 신호를 이용하여 부호화된 정보를 전송하는 방법을 찾고 있다. 하지만 일부 암호작성 전문가들은 이 박테리아는 Q의 새로운 장비 실험실에서 나와 실용화될 수 없을 것이라고 보고 있다. 플로리다주의 올란도 (Orlando)의 네트워크-보안장비 개발기업인 레드 람다 (Red Lambda)사의 안전연구자인 메리디스 패터슨 (Meredith L Patterson)은 “이것은 정말 영리한 개념이지만 정보를 숨기는 방법으로서 특히 실용적이지 않다”고 말했다. 암호해독자들은 숨겨진 메시지를 알아내기 위해서 모든 SPAM 종이에 대해 몇 가지의 항생제만 사용하면 된다. 패터슨은 “이것은 주먹구구식 해결법이다”고 말했다.

물론 영리학 암호해독자는 다르지만 각각 항생제를 가지고 사용할 수 있는 유연한 메시지를 부호화함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. 패터슨은 “만일 카나마이신이 ‘파 드 칼레 (Pas de Calais: 프랑스 북부의 해변도시)의 해변을 공격하게 될 것이다’라는 메시지가 나타난다면 그리고 앰피실린은 ‘우리는 노르망디 해안을 공격할 것이다’라는 메시지가 나타나면 히틀러는 어디로 그의 방어부대를 보낼 것인가?”고 말했다. 부호화된 메시지는 DARPA에 매력적인 방법일 수 있지만 실제로는 “이 분야는 거의 우리의 기술을 사용하지 않을 것이다”고 팔라시오는 말했다. 그가 좀더 관심을 갖고 있는 분야는 생물학적 바코드를 통해서 유전자조작식품을 표시하는 것으로 그 출처를 표시하고 짝퉁을 방지하는 효과를 가질 수 있다. 이 연구팀은 효모나 포자를 형성하는 박테리아와 같이 좀더 강력한 미생물에서 메시지를 부호화하는 방법을 찾고 있으며 식물과 같이 좀더 복잡한 조직에서 나뭇잎의 형태나 뿌리의 패턴의 다양성을 통해 메시지를 부호화하는 방법을 찾고 있다. 팔라시오는 “좀더 많은 특성을 가질수록 좀더 많은 정보를 넣을 수 있다”고 말했다.


출처: ‘네이처’ 2011년 9월 27일
원문참조:
Palacios, M. A. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1109554108 (2011).
Gibson, D. G. et al. Science 329, 52-56 (2010).

ecoli.jpg

출처 : http://www.nature.com/news/2011/110926/full/news.2011.557.html

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2011-09-29