À quel point sommes-nous proches des ordinateurs organiques?

17 septembre 2019 Les industries: biotechnologiesNanotech

How close are we to organic computers?

• Une méthode révolutionnaire utilise un virus pour créer des ordinateurs plus rapides
• Des chercheurs utilisent CRISPR pour créer un ordinateur biosynthétique à double cœur dans des cellules humaines
• Le premier ordinateur à ADN reprogrammable est arrivé
• Les ordinateurs organiques sont-ils une alternative viable aux appareils à base de silicium?

Les ordinateurs ont parcouru un long chemin depuis leurs débuts, devenant plus petits, plus rapides et plus puissants. Au fil des ans, les progrès de l’industrie informatique ont suivi de près la loi de Moore, qui stipule que le nombre de transistors pouvant être placés sur une puce de silicium est doublé tous les deux ans. Cependant, à mesure que les ordinateurs continuent de devenir plus petits, il devient de plus en plus difficile d’atteindre cet objectif et il viendra inévitablement un moment où la loi de Moore ne sera plus vraie. Cela a forcé l’industrie informatique à commencer à chercher des solutions alternatives, les ordinateurs organiques émergeant comme un concept prometteur.

Les ordinateurs organiques, parfois également appelés ordinateurs wetware, peuvent être décrits comme des dispositifs de calcul composés de matériaux organiques, tels que des neurones vivants. Alors que les ordinateurs conventionnels ne peuvent fonctionner qu’en binaire, un neurone peut être dans des milliers d’états différents. Cela signifie qu’il pourrait potentiellement stocker beaucoup plus d’informations qu’un transistor, annulant ainsi les limitations d’espace des ordinateurs conventionnels. Cependant, à ce jour, les ordinateurs organiques sont restés largement confinés au domaine de la théorie. Cela commence à changer, cependant, avec plusieurs avancées récentes offrant l’espoir que les ordinateurs organiques avec des applications pratiques de la vie réelle ne seront peut-être pas si loin après tout.

Une méthode révolutionnaire utilise un virus pour créer des ordinateurs plus rapides

Une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et de l’Université de technologie et de design de Singapour (SUTD) a récemment annoncé avoir fait une découverte révolutionnaire qui pourrait un jour nous permettre de développer des ordinateurs beaucoup plus rapides et plus efficaces. Dans une étude publiée dans la revue à comité de lecture ACS Applied Nano Materials, les chercheurs décrivent une méthode qui utilise un virus pour créer un meilleur type de mémoire informatique.

L’idée tourne autour de la réduction des délais en millisecondes qui se produisent pendant le transfert et le stockage des informations entre une puce de mémoire vive (RAM) traditionnelle et un disque dur. Auparavant, les chercheurs ont tenté d’y parvenir en introduisant une mémoire à changement de phase, qui peut basculer entre les états amorphe et cristallin en utilisant un matériau de type binaire comme l’antimoniure de gallium. Cela permet à la mémoire à changement de phase d’avoir une capacité de stockage plus élevée qu’un disque dur, tout en étant capable d’atteindre les mêmes vitesses qu’une puce RAM. Cependant, le problème avec l’antimoniure de gallium est qu’il augmente la consommation d’énergie et a tendance à subir une séparation des matériaux à des températures d’environ 345 degrés Celsius. Le processus actuel de fabrication de circuits intégrés peut atteindre des températures de près de 400 degrés Celsius.

«Notre équipe de recherche a trouvé un moyen de surmonter cet obstacle majeur en utilisant la technologie des fils minuscules», explique le professeur adjoint Desmond Loke de SUTD. En utilisant un virus connu sous le nom de bactériophage M13, les chercheurs ont pu réaliser une construction à basse température de minuscules fils de germanium-oxyde d’étain et de mémoire, ce qui pourrait permettre aux futurs ordinateurs d’atteindre des vitesses dont nous ne pouvons que rêver aujourd’hui. Selon Loke, «cette possibilité ouvre la voie à l’élimination des délais de stockage et de transfert de la milliseconde nécessaires pour faire progresser l’informatique moderne».

Des chercheurs utilisent CRISPR pour créer un ordinateur biosynthétique à double cœur dans des cellules humaines

Le système d’édition de gènes CRISPR a été l’une des technologies les plus controversées à apparaître ces dernières années. Qu’il s’agisse de mettre fin aux maladies génétiques ou de nous aider à créer des cultures plus savoureuses et plus résistantes, CRISPR a cependant déjà trouvé une grande variété d’applications dans de nombreux domaines différents. Et maintenant, nous pouvons également ajouter la biologie synthétique à cette liste, grâce à une équipe de chercheurs de l’ETH Zurich, qui a utilisé CRISPR pour construire des bio-ordinateurs fonctionnels à double cœur dans des cellules humaines.

Pour y parvenir, les chercheurs ont d’abord dû créer une version modifiée du système CRISPR-Cas9. Plutôt que de faire des coupes dans le génome, cette version modifiée utilise une variante spéciale de la protéine Cas9 qui agit comme un processeur pour lire les entrées fournies par les séquences d’ARN guides, réguler l’expression d’un gène particulier et créer une protéine particulière en sortie.

De plus, en utilisant des composants CRISPR-Cas9 de deux bactéries différentes, les chercheurs ont pu intégrer deux cœurs de processeur dans une seule cellule, créant ainsi le premier processeur bi-cœur biologique au monde.

Ces ordinateurs pourraient avoir un certain nombre d’applications utiles, y compris le diagnostic et le traitement des maladies. Par exemple, ils pourraient être programmés pour détecter des signaux biologiques dans le corps, tels que certains produits métaboliques ou des messagers chimiques. En fonction des biomarqueurs présents dans le corps, les bio-ordinateurs procéderaient alors à la formation d’une molécule de diagnostic spécifique ou d’une substance pharmaceutique.

«Imaginez un microtissu avec des milliards de cellules, chacune équipée de son propre processeur double cœur. De tels «organes de calcul» pourraient théoriquement atteindre une puissance de calcul bien supérieure à celle d’un supercalculateur numérique – et en n’utilisant qu’une fraction de l’énergie », déclare Martin Fussenegger, professeur de biotechnologie et de bio-ingénierie au département des sciences et de l’ingénierie des biosystèmes de l’ETH Zurich et chercheur principal sur le projet.

Le premier ordinateur à ADN reprogrammable est arrivé

En théorie, les ordinateurs à ADN étaient censés représenter la prochaine étape évolutive dans le monde de l’informatique , promettant d’apporter des architectures informatiques parallèles massives d’une vitesse et d’une puissance inégalées. Cependant, la réalité s’est avérée quelque peu différente, car chaque ordinateur à ADN construit à ce jour n’a eu aucune flexibilité et n’a été capable d’exécuter qu’un seul algorithme, limitant considérablement son utilité. Mais cela est peut-être sur le point de changer. Une équipe de chercheurs dirigée par l’informaticien David Doty de l’UC Davis a récemment publié un article dans la revue Nature, dans lequel ils décrivent une méthode qui utilise un simple déclencheur pour persuader le même ensemble de base de molécules d’ADN d’exécuter un certain nombre d’algorithmes différents, créant essentiellement un ordinateur à ADN reprogrammable.

L’idée derrière les ordinateurs à ADN consiste à remplacer les signaux électriques et le silicium, qui forment la base des ordinateurs électroniques conventionnels, par des liaisons chimiques et de l’acide nucléique afin de créer des logiciels biomoléculaires. Contrairement aux tentatives précédentes de création d’ordinateurs à ADN, dans lesquels les séquences d’ADN nécessaires pour produire un algorithme particulier qui formerait la structure d’ADN souhaitée devaient être méticuleusement conçues, les chercheurs ont pu concevoir un système qui pourrait forcer les mêmes morceaux d’ADN de base à forment différentes structures d’ADN en produisant différents algorithmes.

Les chercheurs ont d’abord utilisé une technique appelée ADN origami pour créer un morceau d’ADN plié qui agirait comme la graine qui initie la chaîne d’assemblage algorithmique. Quel que soit l’algorithme, les modifications ne sont apportées qu’à quelques petites séquences dans la graine, tandis que la graine elle-même reste en grande partie inchangée tout au long du processus. Les chercheurs ont également créé une collection de 355 tuiles ADN, dont chacune est composée d’un arrangement unique de 42 nucléobases. Ces tuiles peuvent ensuite être combinées dans différents arrangements pour produire différents algorithmes. Dans l’ensemble, les chercheurs ont pu utiliser ce système pour créer 21 algorithmes différents capables d’effectuer diverses tâches, telles que la génération de modèles, la reconnaissance de multiples de trois, le comptage jusqu’à 63 et l’élection d’un leader.

Alors que la recherche en est encore à ses débuts, les ordinateurs à ADN reprogrammables pourraient avoir de nombreuses applications potentielles, y compris la création de robots moléculaires pour l’administration de médicaments. «Avec ces types d’algorithmes moléculaires, nous pourrions un jour être en mesure d’assembler n’importe quel objet complexe à l’échelle nanométrique à l’aide d’un jeu de tuiles programmables général, tout comme les cellules vivantes peuvent s’assembler en une cellule osseuse ou une cellule neuronale simplement en sélectionnant quelles protéines sont exprimées. » , Déclare Petr Sulc, professeur adjoint à l’Institut Biodesign de l’Arizona State University. https://www.youtube.com/embed/sL2I8Fqu9HI?start=8&feature=oembed

Les ordinateurs organiques sont-ils une alternative viable aux appareils à base de silicium?

Ces dernières années, les ordinateurs organiques sont apparus comme une alternative potentielle aux appareils électroniques à base de silicium, promettant d’apporter des progrès sans précédent en termes de vitesse de calcul, d’efficacité, de puissance de traitement et de capacités de stockage. Cependant, transformer cette idée en réalité s’est avéré assez difficile et la plupart des recherches impliquant des ordinateurs organiques n’en sont encore qu’à leurs tout débuts.

Alors que certains chercheurs ont pu créer des prototypes qui servent de preuve de concept, il faudra probablement des années avant que nous voyions un ordinateur organique avec des applications pratiques et réelles. Pourtant, alors que le rythme de développement de l’industrie informatique continue de ralentir et que la loi de Moore approche de sa fin, c’est certainement une idée qui mérite d’être explorée plus avant, qui pourrait annoncer une nouvelle phase dans l’évolution des ordinateurs.