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

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

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.

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.

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

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.

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

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

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.

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

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

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

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 )

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

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

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

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