Au cœur de nombreuses technologies modernes se trouvent des motifs relativement simples qui permettent de recevoir et de transmettre l’information. Par ailleurs, les êtres vivants ont aussi fonctionné de cette manière pendant des milliards d’années — une comparaison qui n’a pas échappé aux ingénieurs.
Dans les circuits électriques, les transistors servent à basculer ou à amplifier des signaux électriques, mais des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont remplacé les signaux électriques par des signaux biologiques, en utilisant trois souches de la bactérie Pantoea agglomerans pour « transporter » les signaux à travers les circuits. Il faut huit heures à ces cellules pour effectuer chaque calcul, mais les résultats, publiés cette semaine dans Nature Chemical Biology, démontrent le potentiel de la biotechnologie de manière inattendue.
« Nous n’essayons pas de remplacer les ordinateurs, mais plutôt d’introduire un contrôle computationnel dans la biologie », a déclaré Christopher Voigt, responsable du département de génie biologique du MIT et auteur principal de l’étude, à MIT News. « Si vous disposez de bactéries à la racine d’une plante, ou si la plante elle-même effectue le calcul, réaliser un calcul simple durant la nuit est suffisamment rapide par rapport à une saison de croissance. »
Limites organiques
Selon l’étude, des approches similaires par le passé s’étaient principalement concentrées sur l’utilisation d’enzymes pour faire fonctionner des cellules relativement grandes et uniques abritant l’intégralité d’un circuit. Mais il a été très difficile de faire en sorte qu’une cellule minuscule effectue des calculs exactement comme les chercheurs le souhaitent, ce qui impose une limite stricte à la complexité autorisée.
En revanche, les transistors « ne définissent pas la logique du circuit » mais « permettent conditionnellement la propagation du signal », écrivent les chercheurs. S’ils parvenaient à faire fonctionner ces transistors, il serait alors possible de combiner les bio-transistors selon différentes dispositions pour créer des circuits plus variés.
Pour concevoir leur prototype, les chercheurs ont imprimé des colonies de bactéries sur de petites plaques, chaque colonie se trouvant à environ cinq millimètres des autres. Le mécanisme à l’origine de ces transistors reposait sur une famille de molécules utilisées dans la recherche biochimique. Une molécule agissait comme l’interrupteur, une autre comme une molécule « cible » indiquant si l’interrupteur est actif. Si la molécule cible est présente, les transistors produisent une molécule de sortie.
Enfin, le signal représentant la molécule de sortie la relaie à un autre transistor, créant ainsi une chaîne de transistors qui transmet l’information. Des essais préliminaires du transistor ont montré qu’il pouvait effectuer un nombre conséquent d’opérations logiques en utilisant seulement cinq souches, le circuit le plus grand comprenant jusqu’à 24 colonies bactériennes reliées entre elles.
Cela dit, l’équipe a relevé plusieurs limites quant à la taille maximale de ces circuits. D’une part, ce sont des organismes vivants, ils grandissent et évoluent donc au fil du temps. La vitesse du circuit est aussi généralement lente, car l’installation dépend des diffusions moléculaires naturelles entre les colonies. Dans l’ensemble, ces limites font que « l’ordinateur vivant » ne fonctionne que pendant environ trois jours.
Pas près d’arriver dans un ordinateur grand public
Cependant, les chercheurs ne cherchent pas à créer des ordinateurs vivants destinés à un environnement bureautique, bien que de tels dispositifs puissent être utiles en agriculture. Par exemple, le circuit pourrait se situer près des racines des plantes pour détecter différents états de stress ou répondre de façon autonome à la présence de parasites ou d’autres menaces environnementales.
« Ce travail montre que l’on peut progresser vers des fonctions plus complexes en reliant des fonctions plus simples au sein de cellules individuelles », a ajouté Voigt. « Sur le plan computationnel, il n’y a rien que votre iPhone puisse faire que ces circuits ne pourraient pas faire. »
