Les scientifiques ont construit un ordinateur alimenté par l’ADN capable d’effectuer des calculs en utilisant des milliards de molécules dans une minuscule goutte d’eau.
Le système exploite les lois de physique pour créer ce que les scientifiques décrivent comme un système informatique plus efficace que les ordinateurs conventionnels largement utilisés aujourd’hui.
Plutôt que d’utiliser continuellement de l’énergie pour forcer un calcul à travers une série d’étapes de traitement, l’ordinateur à ADN est conçu de telle sorte que son état le plus « énergétiquement favorable » soit la bonne réponse. En d’autres termes, l’ordinateur est conçu pour consommer moins d’énergie que les autres ordinateurs biologiques. qui intègrent les cellules vivantes avec du matériel traditionnel, il faudrait calculer la réponse.
« Ce qui est intelligent, c’est que le processus de liaison est compétitif : les molécules d’ADN entrent en compétition pour sélectionner un gagnant, qui réussit à se lier à l’échafaudage ; toutes les bousculades et la compétition traitent les informations et exécutent un calcul », Damien Woodsprofesseur d’informatique à l’Université Maynooth en Irlande et co-auteur de l’étude, a déclaré à Live Science dans un e-mail. « Finalement, le système s’installe dans son état énergétiquement préféré qui code la réponse au calcul. »
Les chercheurs ont décrit leur système, appelé Scaffolded DNA Computer (SDC), dans une étude publiée le 16 septembre dans la revue Nature. Ils ont testé le SDC sur 10 programmes, dont des calculs 100 bits. Certains calculs, comme 10 + 3, ont mis environ 30 secondes au SDC.
Il existe plusieurs applications possibles à long terme pour le SDC, mais celles-ci sont actuellement spéculatives, notent les chercheurs dans l’étude.
Les systèmes basés sur l’ADN pourraient potentiellement contribuer au développement moléculaire stockage de donnéesdes formes de calcul économes en énergie, ou même des appareils capables d’exécuter à l’intérieur des cellules vivantes.
« Les ordinateurs moléculaires comme celui-ci n’essaient pas de remplacer les ordinateurs électroniques, mais ils pourraient être utilisés dans des environnements biologiques, des matériaux intelligents et le stockage de données d’archives ADN », Abeer Eshraprofesseur adjoint d’informatique et co-auteur de l’étude, a déclaré à Live Science par e-mail. « Notre travail est une nouvelle direction pour le stockage des données ADN, puisque toutes les données stockées dans un tel système auraient des propriétés naturelles intégrées de correction d’erreurs. »
Un ordinateur fabriqué à partir d’ADN
Le SDC est constitué de brins courts d’ADN qui interagissent avec un échafaudage d’ADN plus long. Les brins sont placés dans une petite quantité d’eau salée, puis chauffés et refroidis.
Au fur et à mesure que les brins d’ADN interagissent, ils s’assemblent en structures selon un ensemble de règles programmées qui constituent le « calcul ». Les brins d’ADN agissent comme petites pièces de puzzle moléculaireleurs séquences déterminant quelles pièces peuvent s’attacher les unes aux autres et à différentes positions sur l’échafaudage le plus long. En concevant ces règles contraignantes, les chercheurs « programment » effectivement un calcul.
« Chaque programme correspond à un ensemble de brins d’ADN : pour programmer un calcul différent ou donner une entrée différente, nous sélectionnons simplement différents brins d’ADN dans le réfrigérateur », ont déclaré Woods et Eshra dans un e-mail à Live Science.
L’approche exploite également thermodynamique — la tendance des systèmes physiques à évoluer vers des états énergétiquement plus favorables. Lorsque le mélange est chauffé et refroidi, les brins entrent en compétition pour former les arrangements les plus stables, la configuration correcte étant favorisée sur le plan énergétique. La structure finale code la réponse, permettant aux molécules de « calculer » en interagissant simplement les unes avec les autres.
Même si l’ordinateur à ADN lui-même est minuscule, le nombre de brins impliqués dans le processus informatique est énorme.
« Une petite gouttelette de liquide contient des milliards, et parfois des milliards, de brins d’ADN », a déclaré Eshra dans un communiqué. déclaration. « Ces éléments interagissent les uns avec les autres pour produire un résultat. »
Un ordinateur moléculaire réutilisable
À l’aide du SDC, les chercheurs ont démontré plus de 700 calculs au cours de leurs expériences. Leurs programmes comprenaient l’addition ; multiplication par 3 ; division par 2 ; et la détection de parité sur huit bits, un type courant de correction d’erreurs en informatique. De petits calculs pourraient être effectués en moins d’une minute, ce qui est frappant étant donné que le calcul doit passer par réactions chimiques qui prennent le même temps ou plus.
« Ce sont des calculs triviaux que vous pourriez facilement faire vous-même plus rapidement, et qu’un ordinateur au silicium terminerait en un instant. » Constantin Evanschercheur principal à l’Université de Maynooth et co-auteur de l’étude, a déclaré à Live Science. « Notre système n’utilise qu’une poignée de molécules, ne suivant jamais vraiment un processus organisé d’étapes, ne faisant jamais d’étapes irréversibles et aboutissant pourtant à la bonne réponse. Lorsque l’on pense au calcul au niveau moléculaire, il est très difficile d’effectuer de manière fiable même ces calculs apparemment simples. »
Les calculs plus importants prenaient beaucoup plus de temps. Une somme plus difficile, comprise entre 11 et 34 millions, a pris jusqu’à 14 heures.
« Cela démontre que le système est programmable, réutilisable et bien que lent par rapport au silicium, il est rapide par rapport aux autres ordinateurs à ADN », ont écrit Woods et Eshra dans un e-mail commun à Live Science.
En plus d’être rapide, le SDC est réutilisable. Alors que beaucoup plus tôt ordinateurs moléculaires étaient destinés à être des expériences ponctuelles, le SDC a été conçu pour que les molécules puissent être utilisées à plusieurs reprises.
« À ce jour, de nombreux ordinateurs moléculaires s’appuyaient sur des composants spécialement préparés, ou sur des carburants moléculaires pour faire avancer le système, ou sur des réactions soigneusement programmées », a déclaré Eshra. « Notre ordinateur à ADN fonctionne plutôt en jetant les molécules ensemble et en les laissant se détendre vers l’équilibre. »
- Le nouvel ordinateur portable abandonne les ventilateurs et les dissipateurs de chaleur bruyants pour de minuscules « puces de refroidissement » : il est beaucoup plus fin et plus léger que prévu
- Les ingénieurs construisent le premier ordinateur quantique portable au monde alimenté au diamant : il fonctionne à température ambiante et peut être branché sur une prise.
- Le premier ordinateur au monde combinant le cerveau humain et le silicium est désormais disponible
Trois des programmes ont été refaits avec succès jusqu’à 24 fois. L’équipe a même répété une expérience 1,5 ans après l’expérience originale. Le SDC avait partiellement séché, mais les chercheurs ont pu relancer les calculs en ajoutant de l’eau.
Pour l’instant, cependant, les travaux visent principalement à démontrer que la thermodynamique peut être utilisée pour effectuer des calculs utiles.
« Il reste encore beaucoup de théorie à faire ! » » dit Eshra. Les orientations futures plus larges incluent « la conception d’échafaudages mieux adaptés au calcul, l’amélioration de la lecture du système et l’étude des applications potentielles dans le stockage de données ADN. Nous travaillons déjà sur certaines de ces questions ».
Pouvez-vous faire correspondre ces appareils anciens à leurs images ? Découvrez-le avec notre
