L’ordinateur biologique, l’ordinateur de demain ?

MTI Review
Feb 5, 2018 · 8 min read

Le premier ordinateur, Colossus, a vu le jour en 1943 en Grande-Bretagne dans le plus grand secret. Ce premier calculateur binaire fut utilisé durant la seconde guerre mondiale pour de la cryptanalyse. Monstre à l’époque, la puissance calculatoire de cet ordinateur serait aujourd’hui contenue dans un boitier. A titre de comparaison, si les progrès réalisés dans l’automobile avaient suivi l’évolution de l’ordinateur de sa création aux années 2000, nous conduirions aujourd’hui une voiture d’une valeur de moins de 1€ avec une vitesse de 10 000 km/h[1].

Les avancées de la science s’accélèrent et empêchent d’établir des prévisions fiables de notre mode de vie dans 30 ans. Elon Musk, fondateur et CEO de SpaceX, imagine une ère robotique. Toutefois les progrès laissent envisager des modifications génétiques, une société en réalité augmentée ou peut-être même, virtuelle. Les scénarios de sciences fiction peuvent être désormais pris à la lettre.

Une chose reste toutefois certaine : les calculs phénoménaux et algorithmes auront toujours besoin d’être traités par une machine.

Aujourd’hui, l’ordinateur numérique est l’évidence même. Depuis 70 ans, la société est fondée sur cette technologie. A l’origine, ces ordinateurs occupaient des dizaines de mètres carrés. Aujourd’hui ceux-ci pèsent quelques grammes, mais ne répondent pas aux besoins exponentiels de notre société.

L’ordinateur biologique, pourrait être une solution aux limites d’aujourd’hui. Cet ordinateur permet de lier les composants biologiques et les données informatiques pour créer une machine avec des espaces de stockage infiniment plus grands et puissants qu’aujourd’hui.

  • La technologie numérique, bientôt arrivée à ses limites ?

Gordon Moore fondateur de la société Intel déclare en 1975 « Tous les deux ans, le nombre de transistors doublera dans chaque microprocesseur ». Cette loi de Moore devint alors un challenge de la troisième révolution industrielle, celle des technologies de l’information et de la communication. Et le défi est pour le moins réussi : plus de transistors ont été créés en 2014 que toutes les années antérieures à 2011. Toutefois, cette évolution est bornée par la taille de l’atome et se révèle de plus en plus difficile à respecter. Les scientifiques concèdent que 2025 sera l’année où il sera nécessaire de trouver un autre moyen de stockage et de développement de données.

L’ordinateur numérique paraît ainsi très difficile à développer pour combler les besoins de plus en plus massifs des individus.

  • L’ordinateur biologique, une voie de développement

En 1944, Oswald Avery, Colin MacLeod, et Maclyn McCarty démontrent que l’ADN est une molécule associée à une information héréditaire et peut transformer une cellule. Dans les années 50 et 60, l’alliance entre informatique et biologie est née des travaux de Humberto Maturana, Walter Pitts et Warren McCulloch du MIT, qui cherchaient à copier les organes du corps grâce à l’électronique.

La génétique et l’informatique ont été toujours intrinsèquement liés grâce à leur capacité de restituer des données, d’effectuer des calculs et des processus caractéristiques de tout ordinateur moderne. Leur différence se situe dans leur nature même, qui jusque là, n’avait jamais été associée. Depuis quelques années, des recherches ont été lancées sur le stockage de données au sein même d’une cellule : ces changements ont eu lieu quand la solution existante trouvait des limites.

Ainsi, la révolution informatique et scientifique serait-elle celle des ordinateurs biologiques ?

Cette technologie assez récente a été conçue par Léonard Adleman[2], chercheur américain en informatique théorique, professeur en informatique et en biologie moléculaire à l’université de Californie du Sud, utilisant des composants biologiques et non informatiques. Cette solution alternative est toutefois en compétition directe avec d’autres technologies comme l’ordinateur quantique. Certains résultats significatifs ont été mis au jour mais le stade expérimental n’a pas encore été tout à fait dépassé.

Un ordinateur a pour nature de transporter des informations, de les stocker et d’effectuer des calculs avec ces données. Il est donc indispensable de justifier cette fonction dans le fonctionnement biologique des êtres vivants ou non.

Le flux d’information moléculaire est illustré par l’intermédiaire de trois molécules : l’ADN, l’ARN et les protéines. Il existe différents flux possibles entre ces molécules : la réplication de l’ADN, la transcription de l’ADN à l’ARN et enfin la translation de l’ARN à la protéine.

L’ADN est un stockage idéal car il possède une taille très petite et dense. Présent dans toutes les cellules et structuré en double hélice, celui-ci révèle un code génétique grâce à l’assemblage de séquences de nucléotides[3]. Il contient toute l’information permettant le développement et le fonctionnement des êtres vivants. Ce code permet de stocker les informations génétiques mais aussi d’effectuer des calculs.

Ce matériel biologique ne nécessite évidemment aucune électricité et offre un stockage massif de données (jusqu’à 300 000 téraoctets contre 10 téraoctets pour les disques dur proposés sur le marché public aujourd’hui[4] avec un record établi par Samsung, 16 téraoctets). Avec une durée de vie de plus de 2000 ans, les outils informatiques paraissent ridicules : un stockage optimal pendant une centaine d’années pour les cartes SSD si l’usage se fait rare.

Lors du cycle de conversion génétique, l’ARN va lire les bases nucléotides et les transformer en séquences qui vont permettre de servir de modèle à la synthèse des protéines. A la suite de la translation de l’ARN par un ribosome[5], la protéine deviendra alors un outil fonctionnel pour envoyer des signaux à d’autres cellules et de réguler l’activité des gènes.

La technologie pour créer et coder un brin d’ADN est tout à fait accessible. La question est comment arriver à une fiabilité de 100% en terme de restitution d’information mais aussi les apports d’une telle technologie.

  • Des résultats prometteurs !

En terme de codage d’ADN, deux groupes de scientifiques ont chacun réussi à stocker des données grâce à de l’ADN artificiel. Le premier groupe[6] a réussi à stocker un livre de 300 pages équivalent à cinq millions de bits (avec une marge d’erreur de 99,9%) en utilisant une méthode binaire pour retranscrire les informations. Le deuxième groupe[7], lui, a retranscrit une photo de Martin Luther King lors de son discours « I had a dream » et a utilisé un code trinaire pour une retranscription optimale sans perte.

Depuis 2013, un transistor biologique appelé transcriptor a été créé par une équipe de bio-ingénieurs de Stanford. Il fonctionne comme un transistor classique mais avec des molécules organiques et est équivalent à des portes logiques c’est-à-dire qu’il peut donner des réponses vrai-faux. Il est composé d’un ensemble d’ADN et d’ARN et permet de contrôler quand des cellules ont été exposées à certains stimuli extérieurs. Enfin celles-ci peuvent activer ou désactiver la reproduction cellulaire.

Dans la revue scientifique PNAS, des chercheurs de l’université de Lund ont aussi annoncé avoir créé un ordinateur biologique capable de résoudre un problème de la somme de sous ensemble[8]. Plus efficace qu’un ordinateur classique, il se présente sous la forme d’un livre épais et se compose de nanotubes et de moteurs moléculaires (par exemple la myosine qui se trouve dans nos muscles) qui vont permettre de diriger l’information.

  • Des applications dans de multiples domaines

Actuellement, des modèles complexes et encore incertains d’applications de l’ordinateur biologique émergent dans des domaines divers et variés.

Les secteurs qui seront évidemment touchés par l’apparition de l’ordinateur biologique sont notamment le traitement des images ou encore l’optimisation des graphes. Cela s’explique avec certaines limites des ordinateurs classiques d’aujourd’hui qui sont prépondérantes tels que le problème de type NP-Complet, les résolutions problématiques (par exemple le temps) ou encore des solutions approximatives (heuristiques).

L’utilisation d’un ordinateur biologique permet un degré de parallélisme important avec des résolutions en un temps acceptables mais aussi des solutions exactes ce qui permettra aussi à celui-ci de résoudre de la géométrie algorithmique et la cryptanalyse.

Après le domaine des calculs, l’ordinateur biologique pourra être utilisé dans les systèmes embarqués pour robots grâce à leur taille et leurs fonctionnalités. Les « biorobots » d’aujourd’hui seraient beaucoup plus autonomes et beaucoup moins sujet à des pannes.

Une révolution aura lieu dans la médecine, car avec ses caractéristiques biologiques, cette technologie pourra permettre de diagnostiquer de façon non invasive et très tôt un cancer mais aussi le guérir en ciblant spécifiquement les cellules cancéreuses. De plus, il pourra participer à la création d’organes artificiels au sein même du corps du patient. Les ordinateurs ne seront plus tels que nous les avons toujours connu mais implantés au sein même du corps humain.

Cette technologie récente est encore réservée aux spécialistes. Toutefois l’ADN synthétique est disponible en vente libre, la généralisation d’un tel concept une fois mis au point n’est plus très loin.

L’ordinateur biologique ne rivalise pas encore avec les ordinateurs actuels pour des tâches quotidiennes et n’est pas une solution immédiate de substitution. Néanmoins une multitude de projets d’avenir révolutionnaires sont sur le point de naître.

Le projet AUdACIOus, porté par Natalio Krasnogorde pourrait, selon lui, « créer de nouvelles entités qui n’existent pas dans la nature et assurant des fonctions très utiles “. Associant des universitaires venus d’horizons différents (biologistes, informaticiens, physiciens), ce projet d’une valeur de 1 million de livres a pour objectif de mettre au point une machine prototype. Il s’agirait de créer des cellules synthétiques reprogrammables et interagissant entre elles pouvant à la demande produire toute une gamme de produit tels que des médicaments.

L’objectif à long terme d’une telle technologie est la réalisation d’un système préventif intelligent propre à chaque humain changeant la vision du monde et de la société. Cette technologie est certainement l’évolution thérapeutique de ce siècle. L’équipe de Stanford ayant mis au point le transcriptor, convaincus de la nécessité de cet ordinateur, ont mis à disposition tous les résultats de leurs recherches dans le domaine public afin que d’autres puissent améliorer et s’en emparer.

Auteure: Charlotte Tostivint

Références:

[1] Une brève histoire de l’électronique — Henri Lilen — Vuibert — 2004

[2] En 1994, son article Molecular Computation of Solutions To Combinatorial Problems décrit l’utilisation expérimentale de l’ADN dans les systèmes informatiques.

[3] Quatre nucléotides : adénine, thymine, guanine, cytosine

[4] Barracuda Pro

[5] Enorme complexe protéique

[6] Conduit par George Church de l’université d’Harvard,

[7] Issu de l’European Bioinformatics Institute de l’université de Cambridge.

[8] Problème de décision avec une complexité algorithmique et cryptologique, les problèmes NP-Complet sont considérés comme difficile à résoudre efficacement par un algorithme.

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