Le terme "ADN" évoque immédiatement l'hélice double brin qui contient toutes nos informations génétiques. Mais les unités individuelles de ses deux brins sont des paires de molécules liées les unes aux autres de manière sélective et complémentaire. Il s'avère que l'on peut profiter de cette propriété d'appariement pour effectuer des calculs mathématiques complexes, ce qui constitue la base de l'informatique ADN.
Étant donné que l'ADN n'a que deux brins, effectuer même un calcul simple nécessite plusieurs réactions chimiques utilisant différents ensembles d'ADN. Dans la plupart des recherches existantes, l'ADN de chaque réaction est ajouté manuellement, un par un, dans un seul tube de réaction, ce qui rend le processus très lourd. Les puces microfluidiques, constituées de canaux étroits gravés sur un matériau comme le plastique, offrent un moyen d'automatiser le processus. Mais malgré leurs promesses, l'utilisation des puces microfluidiques pour le calcul de l'ADN reste sous-explorée.
Dans un article récent -- mis en ligne dans ACS Nano le 7 juillet 2021 et publié dans le volume 15 numéro 7 de la revue le 27 juillet 2021 -- une équipe de scientifiques de l'Université nationale d'Incheon (INU), en Corée, présente une puce microfluidique programmable à base d'ADN qui peut être contrôlée par un ordinateur personnel pour effectuer des calculs d'ADN. « Notre espoir est que les processeurs basés sur l'ADN remplaceront les processeurs électroniques à l'avenir car ils consomment moins d'énergie, ce qui contribuera au réchauffement climatique. Les processeurs basés sur l'ADN fournissent également une plate-forme pour des calculs complexes comme les solutions d'apprentissage en profondeur et la modélisation mathématique », déclare Dr Youngjun Song de l'INU, qui a dirigé l'étude.
Dr. Song et son équipe ont utilisé l'impression 3D pour fabriquer leur puce microfluidique, qui peut exécuter la logique booléenne, l'une des logiques fondamentales de la programmation informatique. La logique booléenne est un type de logique vrai ou faux qui compare les entrées et renvoie une valeur « vrai » ou « faux » selon le type d'opération, ou « porte logique », utilisé. La porte logique dans cette expérience consistait en une matrice d'ADN simple brin. Différents ADN simple brin ont ensuite été utilisés comme entrées. Si une partie d'un ADN d'entrée avait une séquence Watson-Crick complémentaire à l'ADN matrice, elle s'apparie pour former un ADN double brin. La sortie a été considérée comme vraie ou fausse en fonction de la taille de l'ADN final.
Ce qui rend la puce conçue extraordinaire, c'est un système de valve motorisé qui peut être actionné à l'aide d'un PC ou d'un smartphone. La puce et le logiciel forment ensemble une unité de traitement microfluidique (MPU). Grâce au système de valve, le MPU peut effectuer une série de réactions pour exécuter une combinaison d'opérations logiques de manière rapide et pratique.
Ce système de valve unique du MPU programmable à base d'ADN ouvre la voie à des cascades de réactions plus complexes qui peuvent coder pour des fonctions étendues. "Les recherches futures se concentreront sur une solution informatique totale d'ADN avec des algorithmes d'ADN et des systèmes de stockage d'ADN", explique le Dr Song.
