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L'ordinateur

Une conception renouvelée pourrait amener de puissants ordinateurs biologiques du tube à essai à la cellule

De minuscules aimants pourraient détenir le secret des nouveaux ordinateurs quantiques

De minuscules ordinateurs biologiques constitués d’ADN pourraient révolutionner la façon dont nous diagnostiquons et traitons une multitude de maladies, une fois la technologie pleinement développée. Cependant, un obstacle majeur pour ces dispositifs à base d’ADN, qui peuvent fonctionner à la fois dans des cellules et des solutions liquides, a été leur courte durée de vie. Une seule utilisation et les ordinateurs sont usés.

Maintenant, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont peut-être développé des ordinateurs biologiques à longue durée de vie qui pourraient persister à l’intérieur des cellules. Dans un article publié dans la revue Science Advances, les auteurs abandonnent l’approche traditionnelle basée sur l’ADN et choisissent plutôt d’utiliser l’ARN de l’acide nucléique pour construire des ordinateurs. Les résultats démontrent que les circuits d’ARN sont tout aussi fiables et polyvalents que leurs homologues à base d’ADN. De plus, les cellules vivantes peuvent être capables de créer ces circuits d’ARN en continu, ce qui n’est pas possible avec les circuits d’ADN, positionnant davantage l’ARN comme un candidat prometteur pour des ordinateurs biologiques puissants et durables.

Comme l’ordinateur ou l’appareil intelligent sur lequel vous lisez probablement ceci, les ordinateurs biologiques peuvent être programmés pour effectuer différents types de tâches.

« La différence est qu’au lieu de coder avec des uns et des zéros, vous écrivez des chaînes de A, T, C et G, qui sont les quatre bases chimiques qui composent l’ADN », a déclaré Samuel Schaffter, chercheur postdoctoral au NIST et auteur principal de le studio. .

En assemblant une séquence spécifique de bases sur un brin d’acide nucléique, les chercheurs peuvent déterminer à quoi il se lie. Un brin pourrait être conçu pour se lier à des morceaux spécifiques d’ADN, d’ARN ou d’une protéine associée à une maladie, puis déclencher des réactions chimiques avec d’autres brins dans le même circuit pour traiter les informations chimiques et éventuellement produire une sorte de résultat utile.

Cette sortie pourrait être un signal détectable qui pourrait aider au diagnostic médical, ou il pourrait s’agir d’un médicament thérapeutique pour traiter une maladie.

Cependant, l’ADN n’est pas le matériau le plus solide et peut rapidement se désagréger dans certaines conditions. Les cellules peuvent être des environnements difficiles, car elles contiennent souvent des protéines qui décomposent les acides nucléiques. Et même si les séquences d’ADN restent suffisamment longtemps pour détecter leur cible, les liaisons chimiques qu’elles forment les rendent inutiles par la suite.

« Ils ne peuvent pas faire des choses comme surveiller en permanence les modèles d’expression des gènes. Ils sont à usage unique, ce qui signifie qu’ils vous donnent juste un instantané », a déclaré Schaffter.

Étant également un acide nucléique, l’ARN partage de nombreux problèmes avec l’ADN lorsqu’il s’agit d’être un élément constitutif d’un ordinateur biologique. Il est susceptible de se dégrader rapidement, et après qu’un brin est chimiquement attaché à une molécule cible, ce brin a disparu. Mais contrairement à l’ADN, l’ARN pourrait être une ressource renouvelable dans de bonnes conditions. Pour profiter de cet avantage, Schaffter et ses collègues devaient d’abord montrer que les circuits d’ARN, que les cellules pourraient théoriquement produire, pouvaient fonctionner aussi bien que ceux basés sur l’ADN.

L’avantage de l’ARN sur l’ADN provient d’un processus cellulaire naturel appelé transcription, dans lequel les protéines produisent en continu de l’ARN en utilisant l’ADN d’une cellule comme matrice. Si l’ADN du génome d’une cellule encodait les composants des circuits d’un ordinateur biologique, la cellule produirait continuellement les composants de l’ordinateur.

Dans le processus de calcul biologique, des brins individuels d’acides nucléiques dans un circuit peuvent facilement se retrouver attachés à d’autres brins dans le même circuit, un effet involontaire qui empêche les composants du circuit de se lier à leurs cibles prévues. La conception de ces circuits signifie souvent que les différents composants s’emboîtent naturellement.

Pour éviter une liaison indésirable, les séquences d’ADN qui font partie des ordinateurs connus sous le nom de circuits de déplacement de brin sont généralement synthétisées (dans des machines plutôt que dans des cellules) séparément et sous forme double brin. Avec chaque base chimique sur chaque brin liée à une base sur l’autre, ce double brin agit comme une porte verrouillée qui ne se déverrouillerait que si la séquence cible apparaissait et prenait la place de l’un des brins.

Schaffter et Elizabeth Strychalski, chef du groupe d’ingénierie cellulaire au NIST et co-auteur de l’étude, ont tenté d’imiter cette fonction de « porte fermée » dans leur circuit d’ARN, réalisant que les cellules devraient finalement produire ces portes fermées par elles-mêmes. Pour préparer les cellules au succès, les chercheurs ont écrit les séquences afin que la moitié des brins puissent se joindre au ras de l’autre moitié. En se rejoignant de cette manière, les séquences d’ARN se replieraient sur elles-mêmes comme un pain à hot-dog, garantissant qu’elles sont dans un état verrouillé.

Mais pour fonctionner correctement, les portes devraient être deux brins chimiquement liés mais distincts, plus proches d’un hamburger ou d’un sandwich qu’un pain à hot-dog. L’équipe a dérivé la conception à double brin dans leurs portes en codant un tronçon d’ARN appelé ribozyme près du point de repliement des portes. Ce ribozyme particulier, extrait du génome d’un virus de l’hépatite, se séparerait après le repliement du brin d’ARN dans lequel il était intégré, créant ainsi deux brins distincts.

Les auteurs ont testé si leurs circuits pouvaient effectuer des opérations logiques de base, telles que le déverrouillage de leurs portes uniquement dans des scénarios spécifiques, par exemple si l’une des deux séquences d’ARN spécifiques était présente ou uniquement si les deux étaient présentes en même temps. Ils ont également construit et testé des circuits composés de plusieurs portes qui effectuaient différentes opérations logiques en série. Ce n’est que lorsque ces circuits ont trouvé la bonne combinaison de séquences que leurs portes s’ouvrent une à une comme des dominos.

Les expériences consistaient à exposer différents circuits à des morceaux d’ARN, dont certains étaient conçus pour être attachés aux circuits, et à mesurer la sortie des circuits. Dans ce cas, la sortie à la fin de chaque circuit était une molécule indicatrice fluorescente qui s’allumait une fois la porte finale déverrouillée.

Les chercheurs ont également suivi la vitesse à laquelle les portes s’ouvraient lorsque les circuits traitaient les entrées et ont comparé leurs mesures avec les prédictions des modèles informatiques.

« Pour moi, ceux-ci devaient fonctionner dans un tube à essai de manière aussi prédictive que l’informatique ADN. La bonne chose à propos des circuits ADN est que, la plupart du temps, vous pouvez simplement écrire une séquence sur un morceau de papier et cela fonctionnera. » comme vous le souhaitez », a déclaré Schaffter. « La clé ici est que nous avons trouvé que les circuits d’ARN étaient très prévisibles et programmables, bien plus que je ne le pensais, en fait. »

Les similitudes de performances entre les circuits d’ADN et d’ARN pourraient indiquer qu’il peut être avantageux de passer à ce dernier, car l’ARN peut être transcrit pour reconstituer les composants d’un circuit. Et de nombreux circuits d’ADN existants que les chercheurs ont déjà développés pour effectuer diverses tâches pourraient théoriquement être remplacés par des versions d’ARN et se comporter de la même manière. Cependant, pour être sûr, les auteurs de l’étude doivent pousser la technologie plus loin.

Dans cette étude, les auteurs ont démontré que les circuits transscriptibles fonctionnent, mais ne les ont pas encore produits en utilisant la véritable machinerie cellulaire de transcription. Au lieu de cela, les machines ont synthétisé les acides nucléiques par un processus similaire à celui utilisé pour produire de l’ADN pour la recherche. Pour passer à l’étape suivante, il faudrait insérer de l’ADN dans le génome d’un organisme, où il servirait de modèle pour les composants du circuit d’ARN.

« Nous souhaitons ensuite mettre cela dans les bactéries. Nous voulons savoir : pouvons-nous emballer des conceptions de circuits dans du matériel génétique en utilisant notre approche ? Pouvons-nous obtenir le même type de performances et de comportement lorsque les circuits sont à l’intérieur des cellules ? dit Schaffter. « Nous avons le potentiel pour le faire. »