Bio-informatique : l’ère des ordinateurs ADN approche à grands pas

Des chercheurs américains ont conçu un nouveau système capable de stocker des données dans de l’ADN pendant des millions d’années – et même de réaliser des opérations logiques pour résoudre des puzzles simples.

Des chercheurs américains de l’Université d’État de Caroline du Nord et de l’Université John Hopkins ont récemment démontré la viabilité d’une technologie capable de stocker et de traiter des données — un ordinateur, en somme. Sa particularité, c’est ce dispositif s’écarte considérablement de l’électronique conventionnelle : à la place, il est entièrement basé sur de l’ADN.

Si l’idée peut paraître saugrenue, elle part pourtant d’un constat tout ce qu’il y a de plus pragmatique : l’ADN est un support de stockage extrêmement dense et efficace. A l’échelle moléculaire, chacune des paires de bases qui composent ce polymère indispensable à la vie peut représenter deux bits, et chaque cellule en contient environ trois milliards ! Si l’on tient compte du fait que certaines de ces bases sont non codantes, c’est-à-dire qu’elles ne sont pas directement impliquées dans la préservation de l’information génétique, on peut calculer que la densité de stockage théorique de l’ADN s’élève à plusieurs dizaines de millions de GB par gramme ! En d’autres termes, les êtres vivants sont de véritables data centers sur patte.

Une vieille idée difficile à exploiter

Sur la base de ces informations, de nombreux chercheurs ont donc exploré l’idée de concevoir de nouveaux supports de stockage basés entièrement sur l’ADN. Ces travaux ont commencé à produire des résultats très intéressants à partir de années 2012, quand un généticien de la prestigieuse université d’Harvard a  encodé l’équivalent de 70 000 milliards de copies de son livre dans de l’ADN.

D’autres expériences de ce genre ont également contribué à prouver la viabilité du concept — mais elles ont aussi fait émerger une autre réalité moins réjouissante, à savoir que ce support est excessivement difficile à manipuler par rapport aux supports conventionnels. Comparé à un support optique ou magnétique, comme un CD-ROM ou un SSD, par exemple, le processus qui permet de lire un brin d’ADN ou d’y encoder des données est atrocement complexe et nettement plus lent. Il faut aussi tenir compte du problème de la compatibilité ; permettre à un ordinateur d’exploiter un stockage ADN est très, très loin d’être trivial.

Pour toutes ces raisons, cette approche n’a encore jamais été mise en application à grande échelle en dehors des laboratoires de recherche. " L’informatique ADN est confrontée à de sérieux défis lorsqu’il s’agit de stocker, récupérer et traiter des données stockées sous forme d’acides nucléiques ", explique Albert Keung, co-auteur de l’étude.

" Jusqu’à présent, on pensait que même si le stockage des données ADN pouvait être utile pour le stockage de données à long terme, il serait difficile, voire impossible, de développer une technologie ADN capable de réaliser les mêmes opérations que les appareils électroniques traditionnels : le stockage et le déplacement de données, la possibilité de lire, effacer, réécrire, recharger ou traiter des fichiers de données spécifiques, et faire toutes ces choses de manière programmable et reproductible. "

Un nouveau support pour faciliter l’exploitation de l’ADN

Mais cela pourrait désormais changer, si l’on se fie aux travaux de son équipe. En effet, ces chercheurs ont développé un nouveau système de support microscopique qui facilite grandement l’exploitation de l’ADN en tant que support de stockage.

" Nous avons créé de nouvelles structures de polymères que nous appelons les dendrocolloïdes. Elles commencent à l’échelle microscopique, puis bifurquent progressivement pour créer un réseau de fibres nanométrique où l’on peut déposer de l’ADN ", explique son co-auteur Orlin Velev dans un communiqué.

(Photo au microscope des dendrocolloïdes utilisés par les chercheurs. Les couleurs sont dues à l’ajout de substances fluorescentes qui permettent d’en visualiser la structure arborescente."

Une fois l’ensemble ainsi organisé, ce matériel est incorporé à une minuscule tuyauterie qui permet de faire circuler un liquide constitué de réactifs et d’enzymes. Ces composés permettent aux opérateurs d’interagir avec l’ADN comme le font les cellules grâce à leur machinerie interne.

Fonctionnellement, ce fluide joue le rôle du courant électrique dans un ordinateur classique. La grande différence, c’est que ce processus n’implique aucune modification directe du support de stockage. A la place, l’ADN sert seulement de référence ; pour en extraire des informations, l’équipe utilise le mécanisme de la transcription, qui permet d’extraire des informations de l’ADN pour produire des molécules d’ARN.

Dans les organismes vivants, ces fragments d’ARN (dits messagers) sont ensuite transmis au ribosome, une structure cellulaire chargée de décoder ces informations pour synthétiser des protéines. Mais dans ce cas précis, ils sont lus par un séquenceur qui en détermine la séquence d’acides nucléiques. Cette machine passe ensuite le relais à un ensemble d’algorithmes spécialisés qui convertissent la séquence ainsi transférée en données exploitables par un ordinateur, et vice-versa.

Un support de stockage incroyablement dense et durable

Au bout du processus, l’équipe a obtenu un système qui permet de réaliser les mêmes opérations qu’un ordinateur électronique conventionnel — mais avec une densité de stockage immensément plus importante. Les chercheurs ont réussi à stocker environ 10 PB par centimètre carré, soit 10 millions de GB dans le volume d’une gomme de porte-mine.

Il est aussi bien plus résilient qu’un support de stockage traditionnel, puisque l’ADN n’est jamais altéré pendant les opérations de lecture. Sur un disque dur ou un SSD, la durée de vie des données se compte en années. Mais selon les chercheurs, cette structure à base de dendrocolloïdes et d’ADN aurait une demi-vie d’environ 6000 ans à 4 °C (la température habituelle d’un frigo)… et de deux millions d’années au congélateur à -18 °C ! En théorie, cette architecture pourrait donc faire des merveilles lorsqu’il s’agit d’archiver des montagnes de données sur le long terme.

Un début d’ordinateur ADN

Enfin, le papier des chercheurs mentionne discrètement un dernier point très intéressant : en plus de stocker des données, leur système permet aussi de les exploiter. En effet, les molécules d’ARN peuvent être sélectivement modifiées grâce à des enzymes et un autre algorithme pour réaliser des opérations logiques. L’équipe explique que sa plateforme est capable de résoudre des puzzles d’échecs simplifiés (en 3×3 cases), et même de remplir des grilles de sudoku !

" Nous pouvons répliquer la plupart des fonctions que vous pouvez effectuer avec les appareils électroniques traditionnels. Nous pouvons copier les informations ADN directement à partir de la surface du matériau sans endommager l’ADN. Nous pouvons également effacer des morceaux d’ADN ciblés, puis les réécrire sur la même surface, par exemple en supprimant et en réécrivant des informations stockées sur le disque dur », énumère Kevin Lin, auteur principal du papier. Cela nous permet essentiellement de réaliser toute la gamme des fonctions de stockage et de calcul des données à partir d’ADN ", résume-t-il.

Certes, ces travaux sont encore très exploratoires. Il faudra encore patienter de longues années avant qu’un système basé sur cette preuve de concept arrive à maturité et puisse être exploité par l’industrie – sans parler du grand public. En d’autres termes, ce n’est pas demain la veille que vous pourrez conserver vos photos de famille grâce à de l’ADN.

Mais ces travaux pourraient tout de même ouvrir la voie à de nouveaux dispositifs de stockage, voire à des ordinateurs ADN en bonne et due forme. Il conviendra donc de suivre les retombées de cette étude, et plus largement, de l’évolution de cette niche technologique encore balbutiante mais déjà fascinante.