Nano-ordinateurs à base d'ADN

1. Nano-ordinateurs à base d'ADN Porumbel Daniel Séminaire des Applications Statistiques et Informatiques aux Sciences Médicales Université de Lille 2, 29 juin 2005

2. Motivations • L’ADN est une molécule capable de traiter de l'information • Nous présenterons deux nano-ordinateurs qui met à profit les propriétés d’ADN: • Le Plus Petit Ordinateur du Monde – reconnu par le Guinness Book comme le plus petit calculateur biologique • Maya – un ordinateur à ADN qui peut jouer morpion («Tic Tac Toe») avec une joueur humain

3. Description biologique ADN • L’ADN est une longue molécule, constitué de répétitions de nucléosides • Les nucléosides sont formés d'un groupe phosphate lié à un sucre, le désoxyribose, et à une base azotée: A, T, C ou G.

4. Description informatique ADN • L'ADN a la fonction de coder l’information en nature • Il représente la mémoire génétique d'une cellule ou d'un organisme. • On peut considérer que les données sont représentées en base 4 (A,T,C,G) • L'ADN d'une cellule contient 700 méga-octets d'information.

5. Description informatique ADN • Par complémentarité chimique, les molécules d’ADN ont des propriétés de pattern-matching (identification) • Par exemple, l'adénine(A) se lie toujours à la thymine(T), et la cytosine(C) à la guanine(G) • L’ADN est capable de reconnaître d'autres molécules et de conduire de l'énergie et l’information à distance

6. Les ordinateurs à ADN • Un processeur classique reçoit et envoie des informations par du courant électrique • 1 signifie que le courant passe et 0 qu'il ne passe pas • Dans l’ordinateur à ADN, les enzymes font office de circuits électroniques. • Elles coupent les séquences d'ADN quand apparaît une séquence spécifique composée des quatre lettres.

7. Le Plus Petit Ordinateur du Monde • Il a été fabriqué par Ehud Shapiro et ses collègues de l'Institut Weizmann en 2002 • C’est le premier nano-ordinateur composé uniquement d'ADN et d'enzymes • Il fait fonctionner une automate très simple, qui ne peut prendre que deux états et distinguer deux symboles

8. Le Plus Petit Ordinateur du Monde • L'entrée, la sortie et le "logiciel" se compo-sent de molécules d'ADN • l'ordinateur utilise deux enzymes naturelles qui manipulent l'ADN • Une fois mélangés dans une solution, le logiciel et le matériel fonctionnent en harmonie sur la molécule d'entrée pour créer la molécule de sortie

9. Les tâches de l’ordinateur • Le nano-ordinateur peut être programmé pour accomplir plusieurs tâches simples • On peut choisir différentes molécules de logiciel à mélanger en solution • Les chercheurs ont implémenté plusieurs automates: • Le premier automate peut vérifier si une liste de a et b a un nombre pair de a.

10. Un pas du calcul • L'entrée: • Le logiciel: • L’action: • La sortie finale:

11. Autres Remarques • Un microlitre de cette solution pourrait faire 66 milliards d'opérations par secondes • une cuillère pleine équivaudrait à la puissance de 100.000 PCs • Cet ordinateur peut préparer le terrain à de futures machines qui seraient capables d’implémenter n’importe quel automate • La machine de Turing est équivalente avec un automate à état finis

12. MAYA • Cet ordinateur a été conçu en 2003 par deux chercheurs aux États-unis (Columbia University) • Il met en application une version du morpion («Tic Tac Toe») • Il utilise aussi les propriétés de l’ADN concernant le «pattern – matching » • L’ADN est capable de reconnaître d'autres molécules et de répondre

13. MAYA • Maya est un automate cellulaire • Chacune de ses "cellules" est remplie d'une préparation d'enzymes particulière • Elles sont capable d’entrer en réaction avec des fragments spécifiques d'ADN • Chaque cellule se comporte comme une « porte logique » chimique (le Logiciel du MAYA )

14. Le jeu • Maya joue toujours le premier coup: Il marque la cellule centrale de la grille 3 X 3 • Le joueur humain lui indique ensuite sa réponse • Il ajoute dans chacune des 8 cellules restantes une solution contenant un fragment d'ADN particulier (parmi 8 possibles). • La réaction chimique entre l'ADN et la enzyme présente dans la cellule produit une fluorescence qui indique le choix de l'ordinateur

15. Conclusion et perspectives • En 2004, les chercheurs israéliens ont réussi à programmer l’ordinateur à ADN de telle sorte qu’il puisse repérer la présence de particuliers cellules cancéreuses et délivrer en réponse une molécule destinée à les détruire • Ils espèrent, à l'avenir, pouvoir créer un « docteur dans une cellule », capable d'agir dans un corps vivant

16. Conclusion et perspectives • On peut imaginer pour l'avenir une machine plus petite qu'une cellule humaine permettant à l'homme d'entrer en interface avec les réseaux autour de lui • Une autre possible application concerne aussi la cryptographie ou, plus précisément le décryptage • une éprouvette peut contenir millions de minuscules automates faits d’ADN qui peuvent faire des milliards des opérations en parallèle

17. Références • Ehud Shapiro, Molecules and computation, www.weizmann.ac.il/Biology/open_day/ book/ • Yaakov Benenson, Rivka Adar, Tamar Paz-Elizur, Zvi Livneh, and Ehud Shapiro - DNA molecule provides a computing machine with both data and fuel • Milan N Stojanovic & Darko Stefanovic – A deoxyribozyme-based molecular automaton • Michael Brenowitz, The Flow of Genetic Information, • The National Human Genome Research Institute Web Page, www.genome.gov/ • Mouse Genome Informatic, www.informatics.jax.org/mgihome/other/glossary.shtml