Calcul de l'ADN

Leonard Adleman envoie ses regrets. Dans une FAQ par e-mail qu'il utilise pour repousser les journalistes à la recherche d'interviews, l'informaticien et cryptographe de renommée mondiale de l'Université de Californie du Sud qui a inventé le domaine de l'informatique ADN admet qu'il est peu probable que les ordinateurs ADN deviennent des concurrents autonomes pour les ordinateurs électroniques. Il poursuit, un peu en s'excusant : Nous ne pouvons tout simplement pas, à l'heure actuelle, contrôler les molécules avec l'habileté que les ingénieurs électriciens et les physiciens contrôlent les électrons.

C'est en 1994 qu'Adleman a utilisé pour la première fois l'ADN, la molécule qui compose nos gènes, pour résoudre une version simple du problème du voyageur de commerce. Dans cette énigme classique, la tâche consiste à trouver le chemin le plus efficace à travers plusieurs villes - étant donné suffisamment de villes, le problème peut défier même un superordinateur. Adleman a démontré que les milliards de molécules d'une goutte d'ADN contenaient une puissance de calcul brute qui pourrait-juste pourrait-être submerger le silicium. Mais depuis lors, les scientifiques se sont heurtés à des obstacles pratiques et théoriques difficiles. Comme Adleman et d'autres dans le domaine l'ont réalisé, il se peut qu'il n'y ait jamais un ordinateur fabriqué à partir d'ADN qui rivalise directement avec la microélectronique à base de silicium d'aujourd'hui.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2000

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Mais cela ne veut pas dire qu'ils ont abandonné. Loin de là. Bien que les informaticiens n'aient pas trouvé de chemin clair entre le tube à essai et le bureau, ce qu'ils ont trouvé les étonne et les inspire. Mémoire numérique sous forme d'ADN et de protéines. Des machines d'édition extrêmement efficaces qui naviguent dans la cellule, coupant et collant des données moléculaires dans l'étoffe de la vie. De plus, la nature emballe tout cet équipement moléculaire hi-fi dans une bactérie pas beaucoup plus grosse qu'un simple transistor. Vu à travers les yeux des informaticiens, l'évolution a produit les ordinateurs les plus petits et les plus efficaces au monde - et la boîte beige est accrochée.

Comme Adleman le voit maintenant, l'informatique ADN est un domaine qui consiste moins à battre le silicium qu'à de nouvelles combinaisons surprenantes de biologie et d'informatique qui repoussent les limites dans les deux domaines, parfois dans des directions inattendues. Les scientifiques travaillent toujours d'arrache-pied pour trouver des moyens d'exploiter les formidables capacités de calcul de chiffres de l'ADN pour des types d'applications spécialisées, telles que le décryptage de code. Mais au-delà de cela, l'intelligence innée intégrée aux molécules d'ADN pourrait aider à fabriquer des structures minuscules et complexes, essentiellement en utilisant la logique informatique non pas pour calculer des nombres mais pour construire des choses.

Parmi les plus prometteuses de ces nouvelles approches figurent les tuiles d'ADN intelligentes inventées par Erik Winfree, un informaticien de 30 ans au California Institute of Technology (voir 100 Young Innovators, TR novembre/décembre 1999). Le remue-méninges de Winfree consiste à créer des blocs de construction nanoscopiques à partir d'ADN qui non seulement peuvent stocker des données, mais sont conçus - Winfree aime à dire programmés - pour effectuer des opérations mathématiques en s'assemblant de manière spécifique. Normalement, l'ADN existe sous la forme de deux brins entrelacés des lettres chimiques A, G, C et T - la double hélice familière. Mais les tuiles d'ADN de Winfree sont fabriquées en nouant ensemble trois ou plus de ces brins, formant des tuiles d'environ 15 nanomètres (milliardièmes de mètre) sur leur côté le plus long. Profitant de la capacité de l'ADN à reconnaître sélectivement d'autres brins d'ADN, Winfree a codé les bords de ces carreaux afin qu'ils se réunissent de la bonne manière pour former de minuscules structures construites sur commande.

En fait, programmer l'ADN de cette manière pourrait donner aux chimistes le type de contrôle habile qui leur permettrait de construire des structures plus complexes que celles envisagées jusqu'à présent, explique Paul Rothemund, doctorant au laboratoire USC d'Adleman.

Dominos ADN

L'idée de carreaux d'ADN intelligents a fait son apparition il y a cinq ans au café Red Door de Caltech, lorsque Winfree et Rothemund se sont rencontrés pour discuter du premier article d'Adleman sur le calcul de l'ADN. La publication avait fait exploser l'imagination dans le monde entier et dans toutes les disciplines scientifiques. Y avait-il d'autres moyens de calculer avec l'ADN ? Pourrait-il battre le silicium ? Rothemund a apporté une pile de papiers montrant toutes les choses les plus étranges qui avaient été faites avec l'ADN. L'un d'eux était celui de Nadrian Seeman, un chimiste de l'Université de New York qui avait créé des cubes, des anneaux, des octaèdres et d'autres formes improbables à partir de la double hélice d'ADN. Winfree, qui travaillait sur un doctorat lié à l'apprentissage artificiel chez les robots, a immédiatement vu un moyen d'utiliser les étranges versions de l'ADN de Seeman pour calculer.

La percée intellectuelle de Winfree a été inspirée par la théorie des carreaux de Wang - un peu de mathématiques obscures liées aux motifs qui peuvent être créés à l'aide de carrés à côtés numérotés. Comme les dominos, les nombres sur chaque tuile Wang déterminent quelles autres tuiles il est autorisé à toucher. En établissant soigneusement ces règles de correspondance, des motifs complexes et intéressants peuvent émerger au fur et à mesure que de nouvelles tuiles sont ajoutées. Mais c'est plus qu'un simple jeu de dominos mathématiques. Comme les tuiles de Wang contiennent à la fois des données (les nombres) et des règles simples pour les combiner, les mathématiciens des années 1960 ont prouvé que les tuiles pouvaient être utilisées pour additionner ou multiplier des nombres. En fait, ils ont montré qu'avec le bon ensemble de ces constructions hypothétiques, vous pouvez, en théorie, faire tout ce qu'un ordinateur électronique peut faire, de jouer aux échecs à compter les moutons. La grande idée de Winfree était une synthèse simple : utiliser les molécules d'ADN de Seeman comme de minuscules tuiles de Wang réelles.

Appliquée au calcul de l'ADN, la stratégie pourrait contourner l'un des problèmes fondamentaux qui tourmentent le domaine depuis le début : trop de travail de laboratoire. Alors que l'informatique ADN est bonne pour produire rapidement un grand nombre de réponses, les choses ralentissent lorsqu'il s'agit de choisir les bonnes réponses dans le mélange. Prenez le problème du voyageur de commerce résolu à l'origine par Adleman, dans lequel l'objectif est de trouver l'itinéraire le plus efficace à travers sept villes reliées par 14 vols aller simple. Adleman a créé des brins d'ADN pour représenter chaque vol, puis les a combinés dans un tube à essai pour générer toutes les routes possibles.

Bien que l'ADN dans un cinquantième de cuillère à café ait produit 100 000 milliards de réponses en moins d'une seconde, la plupart de ces réponses étaient des répétitions et la plupart d'entre elles étaient incorrectes. La tâche suivante d'Adleman consistait donc à éliminer les mauvaises réponses, ce qui pouvait être fait en un tournemain sur un PC, mais dans le cas d'Adleman, il fallait plusieurs dizaines de procédures de laboratoire manuelles. Et c'est là que réside le problème avec la plupart des schémas de calcul de l'ADN - chaque opération sur les données signifie une autre étape de laboratoire fastidieuse.

Les tuiles d'ADN pourraient résoudre ce problème. Contrairement à l'ADN utilisé par Adleman dans ses expériences originales qui se sont combinées de manière aléatoire, les tuiles de Winfree suivent des règles simples pour obtenir le bon résultat. Idéalement, il vous suffit de mettre [les carreaux] dans le tube à essai et whammo !, vous avez la bonne réponse, déclare John Reif, informaticien de l'Université Duke.

En travaillant avec Winfree et Thom LaBean, biochimiste chez Duke, Reif espère mettre l'idée en pratique en créant un simple boulier moléculaire à partir de tuiles d'ADN. Le but est d'additionner des nombres binaires de zéro à huit. Avec des lettres génétiques remplaçant les 0 et les 1, l'équipe a conçu des ensembles de tuiles, dont chacune représente une colonne possible dans un ajout. Les règles pour combiner correctement les colonnes sont codées dans des brins lâches d'ADN dépassant des côtés des carreaux.

Si tout se passe bien, l'expérience générera plusieurs milliards de structures multi-tuiles dont chacune a effectué une addition ordonnée de trois bits binaires. Les scientifiques liront ensuite les résultats à l'aide de méthodes standard de décodage de l'ADN. L'expérience souligne la puissance potentielle des ordinateurs à ADN - parallélisme et vitesse massifs. Reif estime qu'un seul tube à essai de tuiles d'ADN pourrait effectuer environ 10 000 milliards d'ajouts par seconde, soit environ un million de fois plus rapidement qu'un ordinateur électronique.

Nanotechnologie C++

L'énorme puissance brute du calcul de l'ADN maintient le terrain en mouvement malgré tous les obstacles techniques redoutables. Pourtant, même si ces obstacles s'avèrent finalement insurmontables, le travail de Winfree pourrait signifier une percée dans la construction d'appareils ultrapetits. En effet, Winfree lui-même pense que l'application la plus excitante des tuiles d'ADN est sous forme de blocs de construction intelligents qui s'assemblent pièce par pièce à l'échelle nanométrique et s'assemblent en de grandes et complexes structures.

En collaboration avec Rothemund et Adleman à l'USC, Winfree vise à fabriquer une forme bidimensionnelle connue sous le nom de triangle de Sierpinski. Nommé d'après le mathématicien polonais qui l'a découvert en 1915, le triangle est une fractale complexe et magnifique produite en répétant une règle géométrique simple. L'équipe prévoit de construire une version réelle du triangle dans un tube à essai en utilisant seulement sept tuiles d'ADN différentes. Winfree a conçu chaque type de tuile pour exécuter un programme simple - pour s'ajouter ou non à la forme croissante, en fonction des indices moléculaires fournis par le bord extérieur du triangle.

Entre les mains d'experts en nanofabrication comme Seeman de NYU, les tuiles d'ADN pourraient conduire à des méthodes plus simples pour créer des structures moléculaires exotiques, faisant pour la nanotechnologie ce que la CAO et les matériaux de construction préfabriqués ont fait pour l'industrie de la construction. Un plus grand contrôle mène à des choses que vous ne pouvez presque pas imaginer, dit Seeman. Notre attente est que cette approche puisse être appliquée à la fabrication de matériaux de créateurs et de motifs intéressants de manière beaucoup plus économique.

Le laboratoire de Seeman, par exemple, essaie déjà d'attacher des nanoparticules d'or à des tuiles d'ADN afin de prototyper de minuscules circuits électriques. Ces assemblages d'ADN seraient environ 10 fois plus petits que les plus petites caractéristiques gravées dans les puces de silicium. Cependant, Rothemund note qu'il y a des limites aux modèles calculables avec des tuiles d'ADN. Nous ne pouvons pas faire tout ce que nous voulons, dit Rothemund. Mais les assemblages simples que nous avons réalisés jusqu'à présent montrent à quel point les opérations de base fonctionnent bien.

Ils montrent également combien les scientifiques ont encore à apprendre. Winfree compare ses efforts jusqu'à présent à des programmes d'une ligne écrits en biochimique Basic. Ce qu'il aimerait vraiment faire, c'est programmer des réactions biochimiques en C++. Il s'attend à ce que ce langage plus avancé évolue à mesure que les chercheurs maîtrisent de nouvelles opérations, telles que la suppression sélective des tuiles d'un assemblage. Winfree suppose qu'un jour, il sera peut-être possible de rassembler ce répertoire croissant de composants programmables pour créer des systèmes synthétiques - appelez-les nanorobots si vous le souhaitez - capables d'effectuer indépendamment des tâches utiles. La direction vraiment intéressante que l'informatique ADN nous emmène est de voir jusqu'où nous pouvons apprendre à programmer des réactions biochimiques, dit Winfree.

Cela peut sembler un battage médiatique futuriste, mais les chercheurs commencent déjà à trouver des moyens de le faire. Aux laboratoires Bell de Lucent Technologies, le physicien Bernie Yurke, pour sa part, travaille avec l'ADN dans l'espoir d'assembler des moteurs moléculaires ultrapetits. Yurke imagine qu'un jour, il pourrait être possible de construire un moteur à ADN qui pourrait traverser les constructions de mosaïque d'ADN de Winfree, apportant des modifications chimiques à des points spécifiques. Vous pourriez établir un motif arbitrairement complexe, dit Yurke, qui pourrait ensuite être transféré sur un substrat de silicium pour fabriquer des circuits et des transistors à l'échelle nanométrique. J'espère qu'à l'avenir, des structures électroniques compliquées comme les ordinateurs seront fabriquées de cette façon.

Des ordinateurs électroniques assemblés à l'aide d'ADN qui calcule ? Cela peut sembler une tournure improbable dans l'évolution de l'informatique ADN, mais Adleman pense que c'est tout à fait conforme au domaine qu'il a aidé à lancer. Comme l'informatique quantique, l'informatique ADN est très futuriste, et les deux font valoir que le calcul n'a pas à avoir lieu dans la boîte qui se trouve sur nos bureaux, explique Adleman, cette fois lors d'un entretien téléphonique. Même s'ils ne deviennent pas un moyen de calcul viable à l'avenir - et je ne sais pas s'ils le deviendront - nous pourrons peut-être apprendre à quoi devrait ressembler le véritable ordinateur du futur.

Calculer (et construire) avec l'ADN Organisation Chercheurs clés Concentrer Bell Labs Bernie Yurke, Allan Mills Fabrication de moteurs ADN pour l'assemblage de composants électroniques Duke University/Caltech John Reif, Thomas LaBean, Erik Winfree (Caltech) Travail sur l'addition massivement parallèle à l'aide de tuiles ADN Université de New York Nadrian Seeman Assemblage de nanostructures complexes à partir d'ADN Université de Princeton Laura Landweber, Richard Lipton Ordinateur basé sur l'ARN utilisé pour résoudre un casse-tête connu sous le nom de problème du chevalier Université de Californie du Sud Leonard Adleman Automatisation d'un système de laboratoire autonome pour le calcul de l'ADN ; a prouvé, en théorie, que l'ADN peut déchiffrer la norme de cryptage des données DES Université du Wisconsin Robert M. Corn, Lloyd M. Smith, Anne E. Condon, Max G. Lagally Adapting DNA-chip technology to do ADN calcul on a solid surface

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