On pense que l'ADN nous sauvera des ordinateurs. Avec les progrès du remplacement des transistors en silicium, les ordinateurs à ADN promettent de nous fournir des architectures de calcul parallèle massives qui ne sont actuellement pas possibles. Mais voici le hic: les microcircuits moléculaires qui ont été inventés jusqu'à présent n'ont eu absolument aucune flexibilité. Aujourd'hui, utiliser l'ADN pour calculer revient à «construire un nouvel ordinateur à partir d'un nouveau matériel pour exécuter un seul programme», explique le scientifique David Doty.
Doty, professeur à l'Université de Californie à Davis, et ses collègues ont décidé de découvrir ce qu'il faudrait pour construire un ordinateur à ADN qui pourrait en fait être reprogrammé.
Ordinateur ADN
Dans un article publié cette semaine dans la revue Nature, Doty et ses collègues de l'Université de Californie et Maynooth l'ont démontré. Ils ont montré qu'un simple déclencheur peut être utilisé pour forcer le même ensemble de base de molécules d'ADN à mettre en œuvre de nombreux algorithmes différents. Bien que cette recherche soit encore de la nature, des algorithmes moléculaires reprogrammables pourraient être utilisés à l'avenir pour programmer des robots à ADN qui ont déjà fourni avec succès des médicaments aux cellules cancéreuses.
Dans les ordinateurs électroniques comme celui que vous utilisez pour lire cet article, les bits sont des unités binaires d'informations qui indiquent à l'ordinateur ce qu'il doit faire. Ils représentent l'état physique discret de l'équipement sous-jacent, généralement en présence ou en l'absence de courant électrique. Ces bits - ou même les signaux électriques qui les implémentent - sont transmis à travers des circuits constitués de portes qui effectuent une opération sur un ou plusieurs bits d'entrée et fournissent un bit en sortie.
En combinant encore et encore ces éléments de base simples, les ordinateurs peuvent exécuter des programmes étonnamment complexes. L'idée derrière le calcul ADN est de remplacer les signaux électriques par des acides nucléiques - silicium - par des liaisons chimiques, et de créer un logiciel biomoléculaire. Selon Eric Winfrey, informaticien chez Caltech et co-auteur de l'ouvrage, les algorithmes moléculaires utilisent la capacité naturelle de traitement de l'information intégrée à l'ADN, mais au lieu de donner le contrôle à la nature, «le processus de croissance est contrôlé par des ordinateurs».
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Au cours des 20 dernières années, plusieurs expériences ont utilisé des algorithmes moléculaires pour des choses comme jouer au tic-tac-toe ou assembler diverses formes. Dans chacun de ces cas, les séquences d'ADN ont dû être soigneusement conçues pour créer un algorithme particulier qui générerait la structure d'ADN. Ce qui est différent dans ce cas, c'est que les chercheurs ont développé un système dans lequel les mêmes fragments d'ADN de base peuvent être ordonnés pour créer des algorithmes complètement différents et, par conséquent, des produits finaux complètement différents.
Ce processus commence par l'origami d'ADN, une méthode de pliage d'un long morceau d'ADN dans une forme désirée. Ce morceau d'ADN enroulé sert de «graine» (graine), qui démarre un convoyeur algorithmique, tout comme le caramel pousse progressivement sur une ficelle trempée dans de l'eau sucrée. La graine reste en grande partie la même quel que soit l'algorithme, et les modifications ne sont apportées que dans quelques petites séquences pour chaque nouvelle expérience.
Après avoir créé la graine, les scientifiques l'ont ajoutée à une solution de 100 autres brins d'ADN, des fragments d'ADN. Ces fragments, dont chacun se compose d'un arrangement unique de 42 bases nucléiques (les quatre principaux composés biologiques qui composent l'ADN), sont extraits d'une grande collection de 355 fragments d'ADN créés par des scientifiques. Pour créer un algorithme différent, les scientifiques doivent choisir un ensemble différent de fragments de départ. Un algorithme moléculaire impliquant une marche aléatoire nécessite différents ensembles de fragments d'ADN que l'algorithme utilise pour compter. Lorsque ces morceaux d'ADN se rejoignent lors de l'assemblage, ils forment un circuit qui implémente l'algorithme moléculaire choisi sur les bits d'entrée fournis par la graine.
En utilisant ce système, les scientifiques ont créé 21 algorithmes différents qui peuvent effectuer des tâches telles que la reconnaissance de multiples de trois, le choix d'un leader, la génération de modèles et le comptage jusqu'à 63. Tous ces algorithmes ont été mis en œuvre en utilisant différentes combinaisons des 355 fragments d'ADN.
Bien sûr, écrire du code en déposant des fragments d'ADN dans un tube à essai ne fonctionnera pas encore, mais toute cette idée représente un modèle pour les futures itérations d'ordinateurs flexibles basés sur l'ADN. Si Doty, Winfrey et Woods réussissent, les programmeurs moléculaires de demain ne penseront même pas à la biomécanique sous-jacente à leurs programmes de la même manière que les programmeurs modernes n'ont pas besoin de comprendre la physique des transistors pour écrire de bons logiciels.
Les utilisations potentielles de cette technique d'assemblage à l'échelle nanométrique sont stupéfiantes, mais ces prévisions sont basées sur notre compréhension relativement limitée du monde à l'échelle nanométrique. Alan Turing n'a pas pu prédire l'émergence d'Internet, il peut donc y avoir des applications incompréhensibles de l'informatique moléculaire.
Ilya Khel
