De plusieurs façons, la vie est comme un ordinateur. Le génome d'un organisme est le logiciel qui indique à la machinerie cellulaire et moléculaire (le matériel) quoi faire. Mais au lieu de circuits électroniques, la vie repose sur des circuits biochimiques, des réseaux complexes de réactions et de voies qui permettent aux organismes de fonctionner. Maintenant, des chercheurs du California Institute of Technology (Caltech) ont construit le circuit biochimique le plus complexe jamais créé à partir de zéro, fait avec des dispositifs à base d'ADN dans un tube à essai qui sont analogues aux transistors électroniques sur une puce informatique.

L'ingénierie de ces circuits permet aux chercheurs d'explorer les principes du traitement de l'information dans les systèmes biologiques, et concevoir des voies biochimiques avec des capacités de prise de décision. De tels circuits donneraient aux biochimistes un contrôle sans précédent dans la conception de réactions chimiques pour des applications dans le génie biologique et chimique et les industries. Par exemple, à l'avenir un circuit biochimique synthétique pourrait être introduit dans un échantillon de sang clinique, détecter les niveaux d'une variété de molécules dans l'échantillon, et intégrer cette information dans un diagnostic de la pathologie.

"Nous essayons d'emprunter les idées qui ont eu un énorme succès dans le monde électronique, telles que des représentations abstraites d'opérations de calcul, langages de programmation, et compilateurs, et les appliquer au monde biomoléculaire, " dit Lulu Qian, chercheur postdoctoral senior en bio-ingénierie à Caltech et auteur principal d'un article publié dans le numéro du 3 juin de la revue Science .

Avec Erik Winfree, professeur d'informatique au Caltech, calcul et systèmes neuronaux, et bio-ingénierie, Qian a utilisé un nouveau type de composant basé sur l'ADN pour construire le plus grand circuit biochimique artificiel jamais réalisé. Les précédents circuits biochimiques fabriqués en laboratoire étaient limités car ils fonctionnaient de manière moins fiable et prévisible lorsqu'ils étaient mis à l'échelle à des tailles plus grandes, Qian explique. La raison probable de cette limitation est que ces circuits ont besoin de diverses structures moléculaires pour mettre en œuvre différentes fonctions, rendant les grands systèmes plus compliqués et difficiles à déboguer. La nouvelle approche des chercheurs, cependant, implique des composants simples, standardisé, fiable, et évolutif, ce qui signifie que des circuits encore plus grands et plus complexes peuvent être fabriqués et fonctionnent toujours de manière fiable.

"Vous pouvez imaginer que dans l'industrie informatique, vous voulez faire des ordinateurs de mieux en mieux, " Qian dit. " C'est notre effort pour faire la même chose. Nous voulons faire de meilleurs circuits biochimiques qui peuvent effectuer des tâches de plus en plus sophistiquées, conduire les dispositifs moléculaires à agir sur leur environnement."

Pour construire leurs circuits, les chercheurs ont utilisé des morceaux d'ADN pour fabriquer des portes logiques, des dispositifs qui produisent des signaux de sortie marche-arrêt en réponse à des signaux d'entrée marche-arrêt. Les portes logiques sont les éléments constitutifs des circuits logiques numériques qui permettent à un ordinateur d'effectuer les bonnes actions au bon moment. Dans un ordinateur conventionnel, les portes logiques sont réalisées avec des transistors électroniques, qui sont câblés ensemble pour former des circuits sur une puce de silicium. Circuits biochimiques, cependant, se composent de molécules flottant dans un tube à essai d'eau salée. Au lieu de dépendre des électrons entrant et sortant des transistors, Les portes logiques basées sur l'ADN reçoivent et produisent des molécules sous forme de signaux. Les signaux moléculaires voyagent d'une porte spécifique à une autre, connectant le circuit comme s'il s'agissait de fils.

Winfree et ses collègues ont d'abord construit un tel circuit biochimique en 2006. Dans ce travail, Les molécules de signal d'ADN ont connecté plusieurs portes logiques d'ADN les unes aux autres, formant ce qu'on appelle un circuit multicouche. Mais ce circuit antérieur ne comprenait que 12 molécules d'ADN différentes, et le circuit a ralenti de quelques ordres de grandeur lorsqu'il est passé d'une seule porte logique à un circuit à cinq couches. Dans leur nouveau design, Qian et Winfree ont conçu des portes logiques plus simples et plus fiables, leur permettant de faire des circuits au moins cinq fois plus grands.

Leurs nouvelles portes logiques sont constituées de morceaux soit courts, soit ADN simple brin ou ADN partiellement double brin dans lequel des brins simples ressortent comme des queues de la double hélice de l'ADN. Les molécules d'ADN simple brin agissent comme des signaux d'entrée et de sortie qui interagissent avec les molécules partiellement double brin.

"Les molécules flottent simplement en solution, se croiser de temps en temps, " explique Winfree. " Parfois, un brin entrant avec la bonne séquence d'ADN se fermera jusqu'à un brin tout en décompressant simultanément un autre, le libérant en solution et lui permettant de réagir avec un autre brin. » Parce que les chercheurs peuvent coder n'importe quelle séquence d'ADN qu'ils veulent, ils ont le plein contrôle sur ce processus. "Vous avez cette interaction programmable, " il dit.

Qian et Winfree ont fait plusieurs circuits avec leur approche, mais le plus grand - contenant 74 molécules d'ADN différentes - peut calculer la racine carrée de n'importe quel nombre jusqu'à 15 (techniquement parlant, tout nombre binaire de quatre bits) et arrondissez la réponse à l'entier le plus proche. Les chercheurs surveillent ensuite les concentrations de molécules de sortie pendant les calculs pour déterminer la réponse. Le calcul prend environ 10 heures, il ne remplacera donc pas votre ordinateur portable de sitôt. Mais le but de ces circuits n'est pas de rivaliser avec l'électronique; c'est pour donner aux scientifiques un contrôle logique sur les processus biochimiques.

Leurs circuits ont plusieurs caractéristiques nouvelles, dit Qian. Parce que les réactions ne sont jamais parfaites - les molécules ne se lient pas toujours correctement, par exemple, il y a du bruit inhérent dans le système. Cela signifie que les signaux moléculaires ne sont jamais entièrement activés ou désactivés, comme ce serait le cas pour la logique binaire idéale. Mais les nouvelles portes logiques sont capables de gérer ce bruit en supprimant et en amplifiant les signaux, par exemple, amplifier un signal à 80 %, ou en inhibant un qui est à 10 %, résultant en des signaux qui sont soit près de 100 pour cent présents ou inexistants.

Toutes les portes logiques ont des structures identiques avec des séquences différentes. Par conséquent, ils peuvent être standardisés, afin que les mêmes types de composants puissent être câblés ensemble pour faire n'importe quel circuit que vous voulez. Quoi de plus, Qian dit, vous n'avez pas besoin de savoir quoi que ce soit sur la machinerie moléculaire derrière le circuit pour en faire un. Si vous voulez un circuit qui, dire, diagnostique automatiquement une maladie, vous soumettez simplement une représentation abstraite des fonctions logiques de votre conception à un compilateur que les chercheurs fournissent en ligne, qui traduira ensuite la conception en composants ADN nécessaires à la construction du circuit. À l'avenir, un fabricant extérieur peut alors fabriquer ces pièces et vous donner le circuit, Prêt à partir.

Les composants du circuit sont également accordables. En ajustant les concentrations des types d'ADN, les chercheurs peuvent modifier les fonctions des portes logiques. Les circuits sont polyvalents, comportant des composants plug-and-play qui peuvent être facilement reconfigurés pour recâbler le circuit. La simplicité des portes logiques permet également des techniques plus efficaces qui les synthétisent en parallèle.

"Comme la loi de Moore pour l'électronique au silicium, qui dit que les ordinateurs deviennent de plus en plus petits et puissants chaque année, les systèmes moléculaires développés avec la nanotechnologie de l'ADN ont doublé de taille environ tous les trois ans, " dit Winfree. Qian ajoute, "Le rêve est que les circuits biochimiques synthétiques atteindront un jour des complexités comparables à la vie elle-même."