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L’ADN au service du calcul

Le traitement de l’ADN est certainement la réalisation de calculs utilisant des substances biologiques, au lieu des chips de pommes de terre traditionnelles. L’idée que des substances individuelles (ainsi que des atomes) pourraient être utilisées pour les temps de calcul jusqu’en 1959, lorsque le physicien américain Richard Feynman a présenté ses conseils sur la nanotechnologie. Cependant, le traitement de l’ADN n’a été réellement reconnu qu’en 1994, lorsque l’informaticien américain Leonard Adleman a démontré comment les molécules pouvaient être utilisées pour résoudre un problème informatique. Un calcul peut être considéré comme l’exécution des critères de l’algorithme, qui seuls peuvent être considérés comme une liste étape par étape de directions bien identifiées qui prend une certaine entrée, la traite et produit un résultat. Dans le calcul de l’ADN, l’information est symbolisée en utilisant l’alphabet génétique à 4 personnalités (A [adénine], G [guanine], C [cytosine] et T [thymine]), par opposition à l’alphabet binaire (1 et ) utilisé par les systèmes informatiques. Ceci est réalisable simplement parce que de brèves molécules d’ADN de n’importe quelle séquence arbitraire peuvent être synthétisées sur commande. L’entrée d’un algorithme est donc représentée (dans la situation la plus simple) par des molécules d’ADN avec des séries particulières, les directions sont complétées par des opérations de laboratoire autour des molécules (comme les travailler en fonction de la durée ou découper des brins qui contiennent une certaine sous-séquence), et le le résultat est décrit comme un foyer du dernier ensemble de molécules (comme l’existence ou l’absence d’une série spécifique). L’expérience d’Adleman consistait à trouver un chemin au moyen d’un système de « villes » (marquées « 1 » à « 7 ») reliées par des « routes » à sens unique. Le problème spécifie que l’itinéraire doit commencer et se terminer dans des villes particulières et ne vérifier chaque ville qu’une seule fois. (Ceci peut être considéré par les mathématiciens comme le problème du chemin hamiltonien, un parent du problème du voyageur de commerce mieux connu.) Adleman avait profité de la propriété de complémentarité Watson-Crick de l’ADN-A et du T qui collent ensemble par paires, tout comme G et C. (donc la série AGCT adhérerait parfaitement à TCGA). Il a développé de courts brins d’ADN pour représenter les communautés et les routes de telle sorte que les brins de route collaient les brins de la ville les uns aux autres, formant des séquences de villes qui représentaient des routes (comme le remède réel, qui est devenu « 1234567 »). La plupart de ces séries représentaient des solutions incorrectes au problème (« 12324 » visite une ville plus d’une fois, et « 1234 » tombe à plat pour aller dans chaque ville), mais Adleman a utilisé suffisamment d’ADN pour être raisonnablement sûr que la bonne solution sera être symbolisé dans son contenant initial de brins. Le problème était alors de tirer cette solution étonnante. Il a accompli cela en amplifiant initialement de manière significative (en utilisant une méthode connue sous le nom de réponse de séquence de polymérase [PCR]) uniquement les séries qui ont commencé et se sont terminées dans les bonnes villes. Ensuite, il a classé le groupe de brins par longueur (en utilisant une méthode appelée électrophorèse sur gel) pour s’assurer qu’il ne retenait que les brins de la bonne longueur. Enfin, il a utilisé à plusieurs reprises une «canne à pêche» moléculaire (purification par affinité) pour s’assurer que chaque ville à son tour était symbolisée dans la série de perspectives. Les brins avec lesquels Adleman restait avaient ensuite été séquencés pour révéler la réponse au problème. Bien qu’Adleman ait simplement cherché à établir la faisabilité du traitement avec des molécules, peu de temps après son bulletin d’information, ses essais ont été présentés par certains comme le début d’un concours entre les systèmes informatiques dépendants de l’ADN et leurs alternatives au silicium. Certaines personnes pensaient que les ordinateurs moléculaires pourraient un jour résoudre des problèmes qui entraîneraient des difficultés pour les machines actuelles, en raison de l’énorme parallélisme inhérent à la biologie. Étant donné qu’une petite goutte d’eau peut contenir des milliards de brins d’ADN et que les procédures biologiques agissent sur chacun d’eux – avec succès – en parallèle (par opposition à un par un), il a été affirmé qu’un jour les systèmes informatiques d’ADN pourraient représenter (et résoudre) des problèmes difficiles qui dépassaient la portée des systèmes informatiques «normaux». Cependant, dans de nombreux problèmes difficiles, le nombre d’options réalisables augmente de façon exponentielle avec les dimensions du problème (par exemple, le nombre de solutions peut doubler pour chaque ville supplémentaire). Cela signifie que même des problèmes assez minimes nécessiteraient des volumes d’ADN ingérables (de l’ordre de grandes baignoires) pour pouvoir représenter toutes les solutions possibles. L’expérience d’Adleman était substantielle car elle effectuait des calculs à petite échelle avec des molécules biologiques. Mais surtout, il ouvrait la possibilité de réactions biochimiques immédiatement programmées.