L’ADN est censé nous sortir de l’ornière informatique. Les avancées utilisant le silicium s’essoufflant, les ordinateurs à base d’ADN sont la promesse d’architectures de calcul parallèles massives, impossibles aujourd’hui.

Mais il y a un problème : les circuits moléculaires construits jusqu’à présent n’ont aucune flexibilité. Aujourd’hui, utiliser l’ADN pour calculer, c’est « comme devoir construire un nouvel ordinateur à partir d’un nouveau matériel juste pour exécuter un nouveau logiciel », déclare l’informaticien David Doty. Doty, professeur à UC Davis, et ses collègues ont donc entrepris de voir ce qu’il faudrait faire pour mettre en œuvre un ordinateur à ADN qui soit en fait reprogrammable.

Comme le détaille un article publié cette semaine dans Nature, Doty et ses collègues de Caltech et de l’université de Maynooth l’ont démontré. Ils ont montré qu’il est possible d’utiliser un simple déclencheur pour inciter le même ensemble de molécules d’ADN à mettre en œuvre de nombreux algorithmes différents. Bien que cette recherche soit encore exploratoire, les algorithmes moléculaires reprogrammables pourraient être utilisés à l’avenir pour programmer des robots ADN, qui ont déjà délivré avec succès des médicaments à des cellules cancéreuses.

« C’est l’un des articles de référence dans le domaine », déclare Thorsten-Lars Schmidt, professeur adjoint de biophysique expérimentale à l’Université d’État de Kent qui n’a pas participé à la recherche. « Il existait déjà un auto-assemblage algorithmique, mais pas à ce degré de complexité. »

Dans les ordinateurs électroniques comme celui que vous utilisez pour lire cet article, les bits sont les unités binaires d’information qui indiquent à l’ordinateur ce qu’il doit faire. Ils représentent l’état physique discret du matériel sous-jacent, généralement la présence ou l’absence d’un courant électrique. Ces bits, ou plutôt les signaux électriques qui les mettent en œuvre, passent par des circuits composés de portes logiques, qui effectuent une opération sur un ou plusieurs bits d’entrée et produisent un bit en sortie.

En combinant ces blocs de construction simples encore et encore, les ordinateurs sont capables d’exécuter des programmes remarquablement sophistiqués. L’idée derrière l’informatique de l’ADN est de substituer les liaisons chimiques aux signaux électriques et les acides nucléiques au silicium pour créer un logiciel biomoléculaire. Selon Erik Winfree, informaticien à Caltech et co-auteur de l’article, les algorithmes moléculaires tirent parti de la capacité naturelle de traitement de l’information intégrée à l’ADN, mais plutôt que de laisser la nature prendre les rênes, dit-il, « l’informatique contrôle le processus de croissance ».

Au cours des 20 dernières années, plusieurs expériences ont utilisé des algorithmes moléculaires pour faire des choses comme jouer au morpion ou assembler diverses formes. Dans chacun de ces cas, les séquences d’ADN ont dû être minutieusement conçues pour produire un algorithme spécifique capable de générer la structure de l’ADN. Ce qui est différent dans ce cas, c’est que les chercheurs ont conçu un système où les mêmes morceaux de base d’ADN peuvent être ordonnés pour s’arranger afin de produire des algorithmes totalement différents – et donc, des produits finaux totalement différents.

Le processus commence par l’origami d’ADN, une technique permettant de plier un long morceau d’ADN dans une forme désirée. Ce morceau d’ADN plié sert de « graine » qui donne le coup d’envoi de la chaîne de montage algorithmique, de la même manière qu’une ficelle trempée dans de l’eau sucrée sert de graine pour faire pousser des bonbons. La graine reste en grande partie la même, quel que soit l’algorithme, les modifications apportées à seulement quelques petites séquences en son sein pour chaque nouvelle expérience.

Une fois que les chercheurs ont créé la graine, elle est ajoutée à une solution d’environ 100 autres brins d’ADN, appelés tuiles d’ADN. Ces tuiles, dont chacune est composée d’un arrangement unique de 42 nucléobases (les quatre composés biologiques de base qui constituent l’ADN), proviennent d’une plus grande collection de 355 tuiles d’ADN créées par les chercheurs. Pour créer un algorithme différent, les chercheurs choisiraient un ensemble différent de tuiles de départ. Ainsi, un algorithme moléculaire qui met en œuvre une marche aléatoire nécessite un groupe de tuiles d’ADN différent de celui d’un algorithme utilisé pour le comptage. Lorsque ces tuiles d’ADN se lient entre elles au cours du processus d’assemblage, elles forment un circuit qui met en œuvre l’algorithme moléculaire choisi sur les bits d’entrée fournis par la graine.

Utilisant ce système, les chercheurs ont créé 21 algorithmes différents capables d’effectuer des tâches telles que la reconnaissance de multiples de trois, l’élection d’un leader, la génération de motifs et le comptage jusqu’à 63. Tous ces algorithmes ont été mis en œuvre en utilisant différentes combinaisons des mêmes 355 tuiles d’ADN.

Écrire du code en déversant des tuiles d’ADN dans un tube à essai est à des mondes de la facilité de la saisie sur un clavier, bien sûr, mais il représente un modèle pour les futures itérations d’ordinateurs ADN flexibles. En effet, si Doty, Winfree et Woods parviennent à leurs fins, les programmeurs moléculaires de demain n’auront même pas à penser à la biomécanique sous-jacente de leurs programmes, tout comme les programmeurs informatiques d’aujourd’hui n’ont pas besoin de comprendre la physique des transistors pour écrire de bons logiciels.

Cette expérience était de la science fondamentale à l’état pur, une preuve de concept qui a généré des résultats magnifiques, bien qu’inutiles. Mais selon Petr Sulc, professeur adjoint à l’Institut Biodesign de l’Université d’État de l’Arizona qui n’a pas participé à la recherche, le développement d’algorithmes moléculaires reprogrammables pour l’assemblage à l’échelle nanométrique ouvre la porte à un large éventail d’applications potentielles. Sulc a suggéré que cette technique pourrait un jour être utile pour la création d’usines à l’échelle nanométrique qui assemblent des molécules ou de robots moléculaires pour l’administration de médicaments. Il a déclaré qu’elle pourrait également contribuer au développement de matériaux nanophotoniques qui pourraient ouvrir la voie à des ordinateurs basés sur la lumière, plutôt que sur les électrons.

« Avec ces types d’algorithmes moléculaires, nous pourrions un jour être en mesure d’assembler n’importe quel objet complexe à l’échelle nanométrique en utilisant un ensemble de tuiles programmables générales, tout comme les cellules vivantes peuvent s’assembler en une cellule osseuse ou une cellule neuronale juste en sélectionnant les protéines qui sont exprimées », dit Sulc.

Les cas d’utilisation potentiels de cette technique d’assemblage à l’échelle nanométrique dépassent l’entendement, mais ces prédictions sont également basées sur notre compréhension relativement limitée du potentiel latent dans le monde nanométrique. Après tout, Alan Turing et les autres géniteurs de l’informatique auraient difficilement pu prédire l’Internet, alors peut-être que des applications tout aussi insondables pour l’informatique moléculaire nous attendent également.

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