Les tentatives précédentes de construction d'un ordinateur chimique étaient trop simples, trop rigides ou trop difficiles à mettre à l'échelle, mais une approche basée sur un réseau de réactions peut effectuer plusieurs tâches sans avoir à être reconfigurée.
Les molécules peuvent être utilisées pour l'informatique
Un ordinateur chimique constitué d’un réseau d’enzymes peut effectuer diverses tâches, comme mesurer des températures ou identifier des substances, sans avoir besoin d’être reconstruit à chaque fois. Cela en fait davantage un système biologique adaptatif qu’un circuit numérique, et offre la promesse de relier les ordinateurs à la biologie.
Les organismes vivants contiennent des réseaux moléculaires qui intègrent constamment des signaux chimiques et physiques, par exemple lorsque les cellules détectent des nutriments, des hormones ou des changements de température et s'adaptent pour rester en vie. Pendant des décennies, les chercheurs ont tenté d’imiter cela de diverses manières, par exemple en construisant des portes logiques à partir de l’ADN, mais la plupart de ces systèmes artificiels étaient trop simples, trop rigides ou trop difficiles à mettre à l’échelle.
Aujourd'hui, Wilhelm Huck de l'Université Radboud aux Pays-Bas et ses collègues ont adopté une approche différente. Au lieu de programmer chaque étape chimique, ils ont construit un système dans lequel les enzymes interagissent librement, créant des comportements complexes permettant d’apprendre à reconnaître les modèles d’intrants chimiques.
L'ordinateur de l'équipe utilise sept types différents d'enzymes chargés sur de minuscules billes d'hydrogel emballées dans un petit tube. Un liquide circule dans ce tube et peut être injecté avec de courtes chaînes d’acides aminés appelés peptides, qui servent d’« entrée » à l’ordinateur. Lorsque les peptides traversent les enzymes, chaque enzyme tente naturellement de les couper à des sites spécifiques le long de la chaîne peptidique. Mais une fois qu'une enzyme effectue une coupure, la forme du peptide et les sites de coupure disponibles changent, ce qui peut ouvrir ou bloquer des opportunités pour les autres enzymes.
Parce qu’une réaction peut alimenter la suivante, les enzymes créent un réseau chimique en constante évolution, produisant des modèles distinctifs que le système peut interpréter. « Nous pouvons considérer les enzymes comme du matériel et les peptides comme des logiciels qui résolvent de nouveaux problèmes en fonction des apports », explique Dongyang Li du California Institute of Technology, qui n'a pas participé aux travaux.
Par exemple, la température affecte la vitesse à laquelle chaque enzyme fonctionne ; à des températures plus élevées, certaines enzymes accélèrent plus que d'autres, modifiant ainsi le mélange de fragments peptidiques dans la production du système. En analysant ces fragments peptidiques à l’aide d’un algorithme d’apprentissage automatique, les chercheurs pourraient lier ces modèles de fragments à des températures spécifiques.
Étant donné que différentes réactions chimiques se produisent à différentes échelles de temps, le système conserve naturellement une sorte de « mémoire » des signaux passés, lui permettant de reconnaître les modèles qui se déroulent au fil du temps. Par exemple, il pourrait faire la différence entre les impulsions lumineuses rapides et lentes, ce qui signifie qu'il ne réagit pas seulement aux entrées, mais suit également leur modification.
Le résultat n’est pas un circuit chimique statique, mais plutôt un ordinateur chimique dynamique et multitâche qui traite les signaux comme un système vivant. « Le même réseau a géré plusieurs tâches – classification chimique, détection de température avec une erreur moyenne d’environ 1,3 °C entre 25 °C et 55 °C, classification du pH et même réponse à la périodicité des impulsions lumineuses – sans repenser la chimie », explique Li.
Les chercheurs ont été surpris par les performances de l'ordinateur, compte tenu de sa petite taille, et Huck espère qu'un système plus avancé pourra un jour être utilisé pour traduire les signaux optiques ou électriques directement en signaux chimiques, lui permettant de réagir de la même manière que les cellules vivantes. « Nous n’avons utilisé que six ou sept enzymes et six peptides », explique-t-il. « Imaginez ce que vous pouvez faire avec une centaine d'enzymes. »
