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La bio-informatique arrive

Une étrange mutation est en train de s’opérer actuellement dans le domaine de la microélectronique sans que nous, utilisateurs lambda d’ordinateurs primaires : portables ou de bureau, en soyons forcément conscients. Le « mariage » de l’informatique avec la biologie ouvre d’insondables horizons et suscite maintes interrogations.

Avec les ordinateurs classiques, ces machines à calculer à base d’électronique utilisant microprocesseurs et autres « puces », on s’acheminait logiquement vers une intelligence artificielle « minérale et électromécanique » n’ayant rien à voir avec celle qui fonctionne dans notre boîte crânienne. Tout cela restait dans la continuité de la révolution technologique du 19ème siècle : l’ordinateur ne représentait que la forme sophistiquée et miniaturisée des énormes enchevêtrements de circuits intégrés et de transistors interconnectés des années 60 du siècle dernier.

En 1964, on faisait tenir sur un « boîtier » 10 transistors, en 1984, plus d’un million. Aujourd’hui, la miniaturisation a atteint ses limites pour la technique de fabrication de circuits microscopiques permettant d’interconnecter les transistors. La gravure du silicium pour relier entre eux les transistors dite photolithogravure consiste à empiler à la surface d’une plaquette de silicium à 99,9 % de pureté des couches (wafer) « gravées » de plus en plus finement pour en faire tenir le plus grand nombre possible sur la même surface. La finesse des gravures est passée d'une centaine de nanomètres au début des années 2000 à une dizaine aujourd'hui. On estime que le nanomètre (un milliardième de mètre) est la limite ultime. Ainsi, la fameuse loi empirique dite de Moore qui voyait tous les 2 ans doubler le nombre de transistors sur un microprocesseur (centre nerveux de l’ordinateur) et donc doubler aussi les performances de la « bécane » ne saurait se perpétuer. 
Pour créer ses ordinateurs, l'homme avait choisi la voie de l’électronique et les lois de la physique du solide. Pour atteindre une intelligence artificielle dite "dure", il avait opté pour une logique radicalement différente de celle suivie par le vivant. Cette voie semble finalement une impasse. La miniaturisation ne peut se poursuivre à l’infini pour suivre la demande des ordinateurs de toujours plus de puissance et de possibilités de calcul. Plutôt que de s’escrimer à vouloir repousser des limites extrêmes par des expédients, certains prônent une autre voie : celle de  l’intelligence artificielle dite "molle".

Déjà en 1980, on parlait d’ordinateurs moléculaires utilisant non plus des cristaux atomiques mais des arrangements plus complexes : ainsi avait-on testé la capacité à transmettre l’information de polymères cristallisés, de semi-conducteurs organiques, de diodes plastiques et autres « protéines » tels que les enzymes. Mais il restait tant de progrès à faire dans la voie classique qu’on ne s’y était pas attardé et puis il y avait comme toujours les défaitistes… En 1982, certains pensaient que les protéines existant dans la nature ne devaient pas être les mieux adaptées aux exigences des électroniciens. Or, par une pirouette, due peut-être au principe de l’économie - je crois, on le verra, à une logique plus profonde – ils se sont trompés, comme tant de leurs confrères dans l’histoire des sciences. C’est ainsi que des protéines naturelles ont permis, dès 1992, d’emmagasiner et récupérer de l’information avec une capacité jamais égalée au niveau « cristallin », ouvrant le champ aux ordinateurs bactériens.

En 1995, un chercheur de l’Université de Californie a utilisé un circuit électronique révolutionnaire pour traiter un problème « booléen » insoluble par les ordinateurs classiques : l’ADN humain (l’acide désoxyribonucléique de nos chromosomes !). Certes, l’opération a duré 7 jours, mais ce fut une révolution pour le calcul intensif. La capacité de stockage était de la sorte multipliée par quelques milliards. A la même époque, la Navy américaine révélait qu’elle travaillait à faire croître des neurones vivants dans un transistor d’ordinateur. Un savant israélien, engagé dans cette même recherche d’utilisation de l’ADN pour construire des circuits nanoélectroniques, déclarait en 1998 : « Nous allons tirer avantage de 4,5 milliards d’années d’évolution et laisser l’ADN faire le gros du travail ».
En 2016, l’Université Mc Gill de Montréal, annonçait qu’une équipe internationale dirigée par le directeur de son Département de génie biomédical, le professeur Dan Nicolau, avait réussi à montrer que la substance qui fournit de l’énergie à toutes nos cellules, l’adénosine triphosphate (ATP), pourrait également alimenter la prochaine génération de superordinateurs. Le principe : remplacer les électrons se déplaçant à l'intérieur d'une puce de silicium par de courtes chaînes de protéines, permettant de traiter l’information très rapidement et avec une grande exactitude au moyen de réseaux parallèles de puces biologiques. L’utilisation de protéines qui se trouvent dans toutes les cellules vivantes, permettrait de réduire considérablement la taille des machines actuelles tout en consommant beaucoup moins d’énergie. Des superordinateurs qui vivent et respirent titrait le communiqué de presse, précisant que cette découverte pourrait permettre de créer des supercalculateurs de la taille d’un livre.

Mais l’accession à l’ordinateur « vivant » pourrait bien se faire plus largement qu’avec le simple remplacement des puces au silicium par des puces organiques. Le mensuel New Scientist a révélé en 2018 qu’une équipe de l’Ecole Polytechnique de Zurich et de l’Université de Bâle ont publié dans la prestigieuse revue Nature Methods un article sur la construction de bio-ordinateurs – ceux-ci fabriqués à partir de cellules vivantes. « En utilisant neuf populations cellulaires différentes assemblées en cultures 3D, l’équipe de biologistes synthétiques a réussi à les faire se comporter comme un circuit de calcul électronique très simple. Retirez le câblage électrique et la signalisation, et remplacez-les par des intrants chimiques et vous avez un ordinateur vivant qui répond aux données entrantes et peut les traiter en utilisant des portes logiques rudimentaires ET, NON et OU. » Bref l’équivalent biologique de l’informatique au silicium.

Convergence

La convergence de la microélectronique et de la biologie moléculaire se précise avec le possible remplacement de la matière minérale par la matière organique. La convergence est aussi en cours au niveau du "soft" avec l’utilisation des nouvelles connaissances du vivant pour revoir et révolutionner le traitement de l’information dans les ordinateurs classiques comme l’explique Walter Fontana, professeur invité sur la chaire Informatique et sciences numériques (2019-2020), lors de la présentation de son cours au Collège de France (voir vidéo ci-dessous.

Michel Granger

 

 

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