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

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

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

4 Description informatique ADN L'ADN a la fonction de coder linformation en nature L'ADN a la fonction de coder linformation en nature Il représente la mémoire génétique d'une cellule ou d'un organisme. 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) 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. L'ADN d'une cellule contient 700 méga- octets d'information.

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

6 Les ordinateurs à ADN Un processeur classique reçoit et envoie des informations par du courant électrique 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 1 signifie que le courant passe et 0 qu'il ne passe pas Dans lordinateur à ADN, les enzymes font office de circuits électroniques. Dans lordinateur à ADN, les enzymes font office de circuits électroniques. Elles coupent les séquences d'ADN quand apparaît une séquence spécifique composée des quatre lettres. 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 Il a été fabriqué par Ehud Shapiro et ses collègues de l'Institut Weizmann en 2002 Cest le premier nano-ordinateur composé uniquement d'ADN et d'enzymes Cest 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 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'entrée, la sortie et le "logiciel" se compo- sent de molécules d'ADN l'ordinateur utilise deux enzymes naturelles qui manipulent l'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 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 lordinateur Le nano-ordinateur peut être programmé pour accomplir plusieurs tâches simples Le nano-ordinateur peut être programmé pour accomplir plusieurs tâches simples On peut choisir différentes molécules de logiciel à mélanger en solution On peut choisir différentes molécules de logiciel à mélanger en solution Les chercheurs ont implémenté plusieurs automates: Les chercheurs ont implémenté plusieurs automates: Le premier automate peut vérifier si une liste de a et b a un nombre pair de a. 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: L'entrée: Le logiciel: Le logiciel: Laction: Laction: La sortie finale: La sortie finale:

11 Autres Remarques Un microlitre de cette solution pourrait faire 66 milliards d'opérations par secondes Un microlitre de cette solution pourrait faire 66 milliards d'opérations par secondes une cuillère pleine équivaudrait à la puissance de PCs une cuillère pleine équivaudrait à la puissance de PCs Cet ordinateur peut préparer le terrain à de futures machines qui seraient capables dimplémenter nimporte quel automate Cet ordinateur peut préparer le terrain à de futures machines qui seraient capables dimplémenter nimporte quel automate La machine de Turing est équivalente avec un automate à état finis 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) 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 met en application une version du morpion («Tic Tac Toe») Il utilise aussi les propriétés de lADN concernant le «pattern – matching » Il utilise aussi les propriétés de lADN concernant le «pattern – matching » LADN est capable de reconnaître d'autres molécules et de répondre LADN est capable de reconnaître d'autres molécules et de répondre

13 MAYA Maya est un automate cellulaire Maya est un automate cellulaire Chacune de ses "cellules" est remplie d'une préparation d'enzymes particulière Chacune de ses "cellules" est remplie d'une préparation d'enzymes particulière Elles sont capable de Elles sont capable dentrer en réaction avec des fragments spécifiques d'ADN Chaque cellule se comporte comme une « porte logique » chimique (le Logiciel du MAYA ) 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 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 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). 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 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 lordinateur à ADN de telle sorte quil puisse repérer la présence de particuliers cellules cancéreuses et délivrer en réponse une molécule destinée à les détruire En 2004, les chercheurs israéliens ont réussi à programmer lordinateur à ADN de telle sorte quil 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 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 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 qui peuvent faire des milliards des opérations en parallèle une éprouvette peut contenir millions de minuscules automates faits dADN qui peuvent faire des milliards des opérations en parallèle

17 Références Ehud Shapiro, Molecules and computation, book/ Ehud Shapiro, Molecules and computation, book/ Yaakov Benenson, Rivka Adar, Tamar Paz-Elizur, Zvi Livneh, and Ehud Shapiro - DNA molecule provides a computing machine with both data and fuel 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 Milan N Stojanovic & Darko Stefanovic – A deoxyribozyme-based molecular automaton Michael Brenowitz, The Flow of Genetic Information, Michael Brenowitz, The Flow of Genetic Information, The National Human Genome Research Institute Web Page, The National Human Genome Research Institute Web Page, Mouse Genome Informatic, Mouse Genome Informatic,


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