Des ordinateurs qui carburent à l'ADN

La "bio-puce", composée de brins d'ADN, remplacera peut-être les microprocesseurs traditionnels dans les ordinateurs. Le mariage entre l'informatique et la biologie est en passe d'être consommé. Premiers balbutiements!

Un ordinateur très puissant se cache à l'intérieur du corps humain. Le cerveau? Certes. Mais surtout l'ADN (acide désoxyribonucléique), cette molécule, principal composant des chromosomes, qui joue un rôle essentiel dans la transmission des caractères héréditaires.
Des chercheurs américains lui ont récemment trouvé une autre propriété épatante: en l'utilisant judicieusement, ils ont réussi à résoudre des problèmes mathématiques devant lesquels même les plus puissants ordinateurs demeuraient désarmés. Une nouvelle "race" de machines intelligentes pourraient ainsi voir le jour, née du mariage de l'informatique et de la biologie.

Deux fois mieux équipées
L'histoire commence en 1994 lorsqu'un chercheur de l'Université de la Californie du Sud propose, à la stupéfaction de la communauté scientifique, une méthode de résolution du problème du "voyageur de commerce", une de ces nombreuses énigmes mathématiques dont le nombre de solutions possibles croît inexorablement lorsqu'on augmente le nombre de variables (lire ci-contre et voir infographie).
L'annonce a fait grand bruit car la méthode utilisée n'est pas, comme à l'habitude, basée sur un algorithme mathématique, mais sur l'utilisation d'outils biologiques: des brins d'ADN!
Depuis, plusieurs groupes de recherche à travers le monde essaient de transformer cette "cuisine" en outil fiable et performant. Car l'avantage indéniable de ce procédé est un traitement massivement parallèle des informations, permettant un rendement largement supérieur à celui des ordinateurs actuels qui fonctionnent de manière séquentielle, c'est-à-dire en traitant les informations les unes après les autres.

Un pas important
Il y a quelques semaines, un groupe de recherche de l'Université du Wisconsin a publié, dans la revue Nature, de nouveaux résultats. Pour la première fois, ces chercheurs ont ancré à une minuscule surface de verre ce qui auparavant flottait dans le liquide brumeux des éprouvettes: les fameux brins d'ADN permettant la résolution de problèmes compliqués, semblables à celui du "voyageur de commerce". Le pas est important dans la mesure où il devrait rendre cette technologie plus simple et plus accessible en vue d'un développement de ces "bio-puces".

Doublement mieux
L'enjeu ultime est le remplacement des traditionnelles puces en silicium, miniaturisées à un point tel que leurs capacités de stockage et leur puissance de traitement des informations atteignent des limites insurmontables du point de vue de la physique. Pour faire fonctionner les ordinateurs, ces "anciennes" puces représentent les informations par une série d'impulsions électriques en utilisant un code binaire formé de 0 et de 1.
De leur côté, les "bio-puces" sont doublement mieux équipées puisqu'elles disposent de quatre éléments pour coder l'information, les fameuses 4 bases ou nucléotides qui composent l'ADN: A, C, T et G. On utilise ensuite des enzymes pour lire, copier et manipuler ce code d'une manière déterminée à la surface des puces, et ainsi résoudre des énigmes.

Pas que l'informatique
Il a été estimé qu'un seul gramme d'ADN pourrait par exemple stocker l'équivalent d'informations contenues dans un milliard de milliards de disques compacts! Quant à la consommation d'énergie, la "bio-puce" serait 10 milliards de fois moins gourmande. Enfin, son efficacité: si le traitement des informations se faisait de manière séquentielle, la "bio-puce" serait une vieille tortue. Par contre, pour un traitement en parallèle, elle gagne aisément la course: les chercheurs estiment qu'un ordinateur conventionnel fonctionnerait en effet un milliard de fois moins vite!
Comme souvent, les idées d'applications sont à la hauteur des espérances entourant ces "bio-puces". Outre leur utilisation dans l'informatique, elles devraient permettre de tester de nouveaux médicaments pour créer des traitements adaptés à créer des traitements adaptés à chaque profil génétique, de contrôler la qualité des aliments ou de sélectionner des espèces végétales plus résistantes à certaines maladies. En 1998, le marché des applications des puces ADN était d'ailleurs évalué, à l'horizon 2002, dans une fourchette de 100 mio à 1 milliard de dollars.

Encore des inconnues!
Pourtant, l'existence du bon vieil ordinateur n'est pas encore menacée pour autant. Les problèmes à résoudre sont légion, le plus conséquent restant le temps nécessaire à de telles manipulations biologiques. Le profil et la nature des connexions avec l'électronique environnante sont encore à déterminer. Sans compter que les brins d'ADN peuvent fréquemment se briser. Enfin, chaque opération est marquée par un pourcentage d'erreur non négligeable. Ainsi, seuls des problèmes mathématiques simples peuvent pour l'instant être résolus.
Tous ces obstacles semblent intimidants. L'un ou l'autre suffira peut-être à reléguer l'ordinateur biologique au stade de vision. Mais les chercheurs ont des as pleins les manches. Ces expériences transformeront alors le seuil flou et hypothétique séparant la vie biologique de la vie électronique en un immense terrain de jeu où chaque idée méritera désormais un brin d'attention.

"C'est par ce chemin là!" indique l'ADN
Bien emprunté, ce voyageur de commerce qui doit écouler sa marchandise dans sept villes différentes sans passer deux fois par la même. Le tout en choisissant, entre un point de départ et une destination donnée, un trajet devant parfois emprunter des routes à sens unique (1 sur l'infographie ci-dessus).
Un tel problème, s'il peut être résolu avec crayon et papier et donc aussi par un simple programme, se complique énormément dès qu'on augmente le nombre de villes: à peine la centaine atteinte, le plus puissant des ordinateurs perd tous ses moyens: la machine teste l'une après l'autre toutes les solutions, dont la quantité augmente exponentiellement en fonction du nombre de villes.
En 1994 déjà, Léonard Adleman, de l'Université de la Californie du Sud, imagine un autre dispositif qui permet de tester toutes les solutions en parallèle. Un dispositif hors du commun puisqu'il utilise des brins d'ADN, cette molécule, construite sur quatre éléments chimiques appelés bases, qui compose le code génétique des êtres vivants. Des bases symbolisées par les lettres A, C, g et T.

Une semaine de travail
Pour résoudre le problème, le chercheur a chimiquement représenté chaque ville par un brin d'ADN, formé de 20 bases choisies au hasard (2). Les chemins entre les villes sont composés pour moitié des 10 bases complémentaires aux 10 dernières de la ville de départ (en sachant que les A s'apparient avec les T, les C avec les G).
L'autre moitié du brin-chemin est formée des bases complémentaires aux 10 premières de la ville-étape suivante. Un voyage complet devient alors un double serpentin de bases apparentées; les villes, dans un ordre quelconque, étant reliées par les chemins (3).
Dans une éprouvette, le chercheur a mélangé quelques grammes d'ADN de villes et de chemins, soit près d'un milliard de milliards de molécules! En quelques instants, ces molécules se sont recombinées et ont formé une multitude de trajets possibles. Tous satisfaisaient-ils aux critères imposés?
Pour le vérifier, Léonard Adleman suivit les étapes suivantes: en utilisant des processus d'analyses chimiques, il a sélectionné les trajets ayant les lieux de départ et d'arrivée corrects, puis ceux qui passaient bien par 7 villes, et enfin ceux qui passaient par 7 villes différentes. Ne lui restait alors que la solution à son problème.
L'expérience lui prit une semaine, mais a ouvert une brèche immense dans ce domaine de la science, puisque depuis, des diza9nes de groupes à travers le monde cherchent à tirer profit des impressionnantes possibilités de calcul offertes par l'utilisation de l'ADN.

"La frontière entre humains et machines deviendra de plus en plus étroite"

Joël de Rosnay, docteur en sciences et ancien enseignant au Massachusetts Institute of Technology, à Boston, est directeur de la Cité des Sciences et de l'Industrie, à Paris. Auteur de plusieurs ouvrages parmi lesquels on peut citer Les origines de la vie et L'homme symbiotique, il porte un regard intéressant sur les nouvelles technologies mariant plusieurs disciplines scientifiques.

Ces premières expériences engendrent les espoirs les plus fous. Mais combien de temps s'écroulera-t-il avant que ces espoirs deviennent des réalités exploitables? On en est encore à la première phase de vérification de la faisabilité. Il faut automatiser les procédures enzymatiques avec des "labs on a chip", ou "laboratoire sur puces". Plusieurs équipes de recherche y travaillent. A mon avis, il faudra encore six à huit ans pour voir les premières applications pratiques sorties des laboratoires de recherche.

Quelles sont les grandes étapes à réaliser pour obtenir de tels produits finis? Tout le travail actuel consiste à compacter et à automatiser les procédures biologiques. C'est très délicat car il faut faire intervenir des nanotechnologies encore mal maîtrisées. Mais cette forme de traitement de l'information par un "bio-ordinateur" restera complémentaire des autres formes de traitement informatique.

Est-ce à dire que le réparateur de nos ordinateurs du futur sera biologiste plutôt qu'électronicien? Beaucoup de ces circuits se répareront eux-mêmes car on jouera sur la redondance et le parallélisme de circuits moléculaires. En effet, un relais ou un "switch" défaillant sera mis hors circuit par l'ensemble qui dirigera les informations vers les circuits fonctionnels.

Pour baptiser ce mariage entre informatique et biologie, vous avez créé le terme "biotique". De manière générale, l'avenir technologique sera-t-il inexorablement forcé à fondre, dans la recherche, différentes disciplines scientifiques? Oui; je pense depuis longtemps, et j'ai beaucoup écrit sur ce thème, que les interfaces entre des disciplines telles que biologie, informatique, nanotechnologies, robotiques, sont en train de fusionner. Les progrès réalisés dans une discipline se répercutent aussitôt dans les autres. On le voit avec la génomique, la bio-informatique, la pharmacogénétique ou la protéonomique qui naissent du décryptage du génome humain. Pour moi la "biotique" va bien au-delà de la "bionique" (copier par l'électronique les sens de l'homme), et de la bio-informatique (traiter la masse des informations provenant du génome). Il s'agit véritablement d'une des disciplines déterminantes pour le futur car elle concerne autant les interfaces entre le cerveau et les ordinateurs, que le mise au point de machines moléculaires à traiter l'information.

Alors, a quand la naissance du cyborg ou biorobot? Les premiers biorobots existent déjà! Certains s'autoprogramment et apprennent de leur environnement. Mais il faudra être prudent à l'avenir comme le suggère Bill Joy de Sun Microsystem, car ces biorobots seront faits dans l'avenir de matériaux biocompatibles avec des "cerveaux" très puissants et vont peut-être devenir incontrôlables. La frontière entre humains et machines deviendra de plus en plus étroite. Ce sera d'ailleurs le thème d'une grande exposition de la Cité des Sciences en octobre 2001.

La Liberté, mercredi 27 septembre 2000, Olivier Dessibourg

L'ADN est une double hélice reliée par des ponts, formés de paires d'éléments chimiques appelés nucléotides, qui sont au nombre de quatre : adénine (A), guanine (G), cytosine (C) et thymine (T). Chaque adénine est toujours aparenté à une thymine, chaque guanine à une cytosine. La séquence exacte de ces bases constitue l'information génétique de chque cellule vivante, information qui est transmise lors de la multiplication cellulaire, et donc d'un parent à sa progéniture.