Le transistor biologique donne vie à l’informatique

Depuis la nuit des temps, l’électronique, la mécanique et maintenant le quantique ont été à la base de l’informatique. Mais plus pour longtemps, Une équipe de bio-ingénieurs de l’université de Stanford veut aussi l’appliquer dans la vie biologique. Ils ont mis au point un transistor biologique fabriqué à partir de matériel génétique tels que l’ADN et l’ARN. L’équipe appelle son invention, le transcriptor.

Aujourd’hui, les ordinateurs utilisent des transistors fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs pour mener à bien leurs opérations logiques.

Maintenant, une équipe de bio-ingénieurs de l’université de Stanford a réussi le pari d’utiliser l’informatique non plus dans le domaine mécanique ou électronique mais dans celui de la biologie. Dans un article publié le 28 Mars dans Sciences, l’équipe explique comment ils ont fabriqué le transistor biologique à partir de matériel génétique tels que l’ADN et l’ARN au lieu des électrons. L’équipe appelle son transistor biologique le transcriptor.

La création du transcriptor permet aux ingénieurs de faire des calculs à l’intérieur des cellules vivantes pour enregistrer par exemple le moment où les cellules ont été exposées à certains stimuli externes ou facteurs environnementaux; ou lorsqu’elles ont commencé ou arrêté la reproduction de cellules.

Les ordinateurs biologiques peuvent être utilisés pour étudier et reprogrammer les systèmes vivants, surveiller les environnements et améliorer les thérapies cellulaires, a déclaré Drew Endy, professeur adjoint en bio-ingénierie.

L’ordinateur biologique

En électronique, un transistor contrôle le flux d’électrons le long d’un circuit. De même en biologie, un transcriptor contrôle le débit d’une protéine spécifique (l’ARN polymérase) qui se déplace le long d’un brin d’ADN.

Endy déclare: Nous avons reconverti un groupe de protéines naturelles appelé intégrases pour réaliser un contrôle numérique sur le flux de l’ARN polymérase le long de l’ADN; Ce qui nous a permis de concevoir une amplification de la logique génétique.

En utilisant les transcriptors, l’équipe a créé ce qu’on appelle en électricité des portes logiques qui peuvent fournir des réponses vrai ou faux à pratiquement n’importe quelle question biochimique qui pourrait être posée dans une cellule. C’est un peu comme la logique booléenne intégrase.

Les portes du transcriptor à elles seules ne constituent pas un ordinateur, mais ils sont le troisième et dernier composant nécessaire pour qu’un ordinateur biologique puisse fonctionner à l’intérieur des cellules vivantes. Malgré leurs différences extérieures, tous les ordinateurs modernes, d’ENIAC à Apple, partagent trois fonctions de base: le stockage, la transmission et l’exécution d’opérations logiques sur l’information.

L’an dernier, Endy et son équipe ont fait la une en fabricant les deux autres composants de base d’un ordinateur génétique. Le premier était un type de stockage de données numériques réinscriptibles dans l’ADN. Ils ont également développé un mécanisme de transmission de l’information génétique d’une cellule à une autre. C’est le BI-FI ou Internet biologique.

Et donc, tous les composants nécessaires sont là pour créer un ordinateur à l’intérieur d’une cellule vivante.

Logique de Boole

La logique numérique est souvent désignée comme “la logique booléenne” d’après George Boole, le mathématicien qui a proposé le système en 1854. Aujourd’hui, la logique booléenne prend généralement la forme de 1 et de 0 dans un ordinateur. Réponse: vrai -> porte ouverte (ou allumé ou 1); faux -> porte fermée (ou éteint ou 0). C’est aussi simple que cela. Et c’est avec ces outils simples que vous arrivez à faire des calculs complexes sur vos ordinateurs aujourd’hui.

‘ET’ et ‘OU’ sont deux des portes logiques booléens les plus élémentaires. Une porte ‘ET’, par exemple, est ‘vraie’ lorsque ses deux entrées sont vraies (exemple ‘a’ et ‘b’ sont vrais). Une porte ‘OU’ est vraie lorsque l’une de ses entrées ou les deux sont vraies (‘a’ ou ‘b’ est vrai).

Dans le domaine biologique, les possibilités logiques sont aussi illimitées que dans l’électronique. Jerome Bonnet explique: Vous pouvez vérifier si une cellule donnée avait été exposée à un certain nombre de stimuli externes comme par exemple la présence de glucose et de la caféine. Les portes logiques booléennes intégrases vous permettront de vérifier ces informations et de les stocker de sorte que vous puissiez facilement identifier celles qui avaient ou pas été exposées.

De la même façon, vous pouvez dire à la cellule de commencer ou arrêter la reproduction si certains facteurs sont présents. Et, en couplant les portes booléennes à l’Internet biologique, il est possible de communiquer l’information génétique d’une cellule à une autre pour modifier le comportement d’un groupe de cellules.

Les applications potentielles sont limitées que par l’imagination du chercheur, a déclaré le co-auteur Monica Ortiz, candidat au doctorat en génie biologique qui a démontré la communication autonome de cellule à cellule à travers les portes logiques booléennes d’ADN.

Fabrication du transcriptor

Pour créer des transcriptors et des portes logiques, l’équipe a utilisé des combinaisons soigneusement calibrées d’enzymes (intégrases) qui contrôlent le flux de l’ARN polymérase le long des brins d’ADN. Si on transpose à l’électronique, l’ADN est le fil et l’ARN polymérase est l’électron.

Le choix des enzymes est important, a déclaré Bonnet. Nous avons pris soin de sélectionner des enzymes qui fonctionnent dans les bactéries, les champignons, les plantes et les animaux, pour que les bio-ordinateurs puissent être conçus dans une variété d’organismes.

Sur l’aspect technique, le transcriptor permet d’obtenir une similitude fondamentale entre le transistor biologique et les semi-conducteurs: l’amplification du signal.

Avec les transcriptors, une très faible variation de l’expression d’une intégrase peut créer un très grand changement de l’expression de deux autres gènes. Les signaux électriques qui circulent le long des fils s’affaiblissent en fonction de la distance, mais si vous mettez un amplificateur de temps en temps le long du chemin, vous pouvez relayer le signal sur une grande distance. Le même concept est appliqué dans les systèmes biologiques sauf que les signaux se transmettent au sein d’un groupe de cellules.

C’est un concept similaire à des radios à transistor, a déclaré Pakpoom Subsoontorn, candidat au doctorat en génie biologique et co-auteur de l’étude qui a développé des modèles théoriques pour prédire le comportement des portes logiques booléennes intégrases. Les ondes radio avec un signal faible voyageant dans l’air peuvent être amplifiées en son.

La recherche a été financée par la fondation National Science et Townshend Lamarre.

Source : Stanford