Concevoir et programmer des ordinateurs vivants – Crumpe

Réunissant des concepts d’outils d’ingénierie électrique et de bio-ingénierie, les scientifiques du Technion et du MIT ont collaboré pour produire des cellules conçues pour calculer des fonctions sophistiquées – des “bio-ordinateurs” en quelque sorte. Des étudiants diplômés et des chercheurs du Technion – Le laboratoire de biologie synthétique et de bioélectronique du professeur Ramez Daniel de l’Institut israélien de technologie ont travaillé avec le professeur Ron Weiss du Massachusetts Institute of Technology pour créer des “dispositifs” génétiques conçus pour effectuer des calculs tels que des circuits neuronaux artificiels. Leurs résultats ont été récemment publiés dans Communication Nature.

Le matériel génétique a été inséré dans la cellule bactérienne sous la forme d’un plasmide : une molécule d’ADN relativement courte qui reste séparée du génome « ​​naturel » de la bactérie. Les plasmides existent également dans la nature et remplissent diverses fonctions. Le groupe de recherche a conçu la séquence génétique du plasmide pour qu’elle fonctionne comme un simple ordinateur, ou plus précisément, un simple réseau de neurones artificiels. Cela a été fait au moyen de plusieurs gènes sur le plasmide régulant l’activation et la désactivation les uns des autres en fonction de stimuli extérieurs.

Qu’est-ce que cela signifie qu’une cellule est un circuit ? Comment un ordinateur peut-il être biologique ?

À son niveau le plus élémentaire, un ordinateur se compose de 0 et de 1, de commutateurs. Des opérations sont effectuées sur ces commutateurs : les additionner, choisir la valeur maximale ou minimale entre eux, etc. Des opérations plus avancées reposent sur les opérations de base, permettant à un ordinateur de jouer aux échecs ou de faire voler une fusée vers la lune.

Dans les calculateurs électroniques que nous connaissons, les interrupteurs 0/1 prennent la forme de transistors. Mais nos cellules sont aussi des ordinateurs, d’un autre genre. Là, la présence ou l’absence d’une molécule peut agir comme un interrupteur. Les gènes activent, déclenchent ou suppriment d’autres gènes, formant, modifiant ou supprimant des molécules. La biologie synthétique vise (entre autres) à exploiter ces processus, à synthétiser les interrupteurs et à programmer les gènes qui permettraient à une cellule bactérienne d’effectuer des tâches complexes. Les cellules sont naturellement équipées pour détecter les produits chimiques et produire des molécules organiques. Pouvoir “informatiser” ces processus au sein de la cellule pourrait avoir des implications majeures pour la biofabrication et avoir de multiples applications médicales.

Les doctorants (aujourd’hui docteurs) Luna Rizik et Loai Danial, ainsi que le Dr Mouna Habib, sous la direction du Prof. Ramez Daniel de la Faculté de génie biomédical du Technion, et en collaboration avec le Prof. Ron Weiss du Synthetic Biology Center, MIT, se sont inspirés du fonctionnement des réseaux de neurones artificiels. Ils ont créé des circuits de calcul synthétiques en combinant des « parties » génétiques existantes ou des gènes modifiés, de manière novatrice, et ont mis en œuvre des concepts de l’électronique neuromorphique dans des cellules bactériennes. Le résultat a été la création de cellules bactériennes qui peuvent être entraînées à l’aide d’algorithmes d’intelligence artificielle.

Le groupe a pu créer des cellules bactériennes flexibles qui peuvent être reprogrammées dynamiquement pour basculer entre le signalement de la présence d’au moins un des produits chimiques d’essai, ou deux, (c’est-à-dire que les cellules ont pu basculer entre l’exécution des fonctions OU et ET ). Les cellules qui peuvent modifier dynamiquement leur programmation sont capables d’effectuer différentes opérations dans différentes conditions. (En effet, nos cellules le font naturellement.) Pouvoir créer et contrôler ce processus ouvre la voie à une programmation plus complexe, rendant les cellules conçues adaptées à des tâches plus avancées. Les algorithmes d’intelligence artificielle ont permis aux scientifiques de produire les modifications génétiques requises des cellules bactériennes en un temps et à un coût considérablement réduits.

Allant plus loin, le groupe s’est servi d’une autre propriété naturelle des cellules vivantes : elles sont capables de répondre à des gradients. En utilisant des algorithmes d’intelligence artificielle, le groupe a réussi à exploiter cette capacité naturelle pour fabriquer un convertisseur analogique-numérique – une cellule capable de signaler si la concentration d’une molécule particulière est “faible”, “moyenne” ou “élevée”. Un tel capteur pourrait être utilisé pour administrer le dosage correct de médicaments, y compris l’immunothérapie anticancéreuse et les médicaments contre le diabète.

Parmi les chercheurs travaillant sur cette étude, le Dr Luna Rizik et le Dr Mouna Habib sont issus du Département de génie biomédical, tandis que le Dr Loai Danial est de la Faculté de génie électrique Andrew et Erna Viterbi. C’est le rapprochement des deux domaines qui a permis au groupe de progresser dans le domaine de la biologie synthétique.

Ce travail a été partiellement financé par la Neubauer Family Foundation, l’Israel Science Foundation (ISF), le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne, le centre interdisciplinaire Technion’s Lorry I. Lokey pour les sciences de la vie et l’ingénierie et la Defense Advanced Research Projects Agency.

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