Composant essentiel de l’électronique, le silicium semble ne plus suffire aux scientifiques et techniciens d’aujourd’hui. Les enjeux de miniaturisation et de baisse de la consommation énergétique conduisent à rechercher de nouveaux matériaux. Aujourd’hui, les circuits moléculaires notamment à base d’ADN sont de plus en plus étudiés. Bien qu’utilisant des molécules organiques au sein de l’architecture des circuits informatiques, les composants moléculaires ainsi créés ne relèvent pas du vivant. Toutefois, une fois que la barrière du silicium est franchie, les circuits moléculaires peuvent être à l’origine d’une reprogrammation de cellules vivantes.

Les limites du silicium : des contraintes physiques, énergétiques et biologiques

Le silicium est un semi-conducteur, c’est-à-dire que c’est un matériau qui n’est ni tout à fait conducteur d’électricité, ni tout à fait isolant. Utilisé sous forme cristalline, dans les semi-conducteurs, le silicium est l’élément majeur des composants électroniques. Le doublement du nombre de transistors dans un circuit électronique tous les 18 mois, tel que prédit par la loi de Moore, entraîne des contraintes techniques importantes. Les enjeux de miniaturisation, d’augmentation de la densité des transistors et de la baisse de la consommation énergétique poussent l’industrie des semi-conducteurs à trouver des solutions nouvelles, notamment par l’utilisation de la photolithographie.

L’enjeu d’une faible consommation énergétique pousse les chercheurs à étendre les limites des capacités physiques du silicium. Technologie française, la technique du FD-SOI (Fully depleted silicon on insulator) permet de réduire la consommation énergétique tout en améliorant les performances des circuits électroniques. Néanmoins, malgré l’extension des capacités du silicium, les chercheurs font les premiers pas vers de nouveaux matériaux, notamment des éléments biologiques tels que l’ADN. En effet, non seulement les processeurs biologiques peuvent combler les défauts physiques du silicium, mais ils peuvent également apporter la biocompatibilité nécessaire à l’inclusion des ordinateurs biologiques à l’intérieur des cellules vivantes. Les perspectives d’une thérapie cellulaire seront ainsi ouvertes.

Les biomatériaux à la base des circuits informatiques ?

L’ « informatique moléculaire » est définie comme « le traitement ou stockage de données informatiques à l’aide de circuits ou de composants constitués de molécules vivantes ou non vivantes, en remplacement de matériaux traditionnels comme le cuivre ou le silicium ». De nombreuses études scientifiques explorent les potentialités des circuits moléculaires pour optimiser les outils technologiques modernes.

Une étude publiée dans Nature le 23 février 2017 par une équipe de chercheurs du Caltech, a fait état de la réalisation d’un circuit moléculaire à base d’ADN. Support de l’information biologique nécessaire à la vie, l’ADN est une macromolécule présente dans l’ensemble des cellules vivantes. L’étude évoque notamment l’efficacité des circuits à ADN dans le processus de traitement de l’information et de la gestion du comportement moléculaire au sein du circuit. L’Assistant Professor of Bioenginnering Lulu Qian, qui a travaillé sur le circuit à ADN, espère que le travail de son équipe convaincra d’autres chercheurs d’explorer plus profondément les applications de l’informatique moléculaire dans le contexte de l’essor et des transformations des nouvelles technologies.

Les défis thérapeutiques et de reprogrammation cellulaire.

Une étude publiée en 2013 dans la revue Science, par une équipe de chercheurs de l’Université de Stanford, fait état de la construction d’un processeur dont l’architecture est fondée sur un circuit à ADN/ARN. Construit sur le modèle d’un transistor, le processeur organique s’appuie sur la régulation de l’enzyme « ARN polymérase » contrôlant ainsi le flux protéique à l’intérieur du circuit moléculaire. Intitulé « transcriptor », le processeur organique fonctionne à l’intérieur de cellules vivantes. L’Assistant Professor of Bioengineering de l’Université de Stanford, Drew Endy, a déclaré que « les ordinateurs biologiques peuvent être utilisés pour étudier et reprogrammer les systèmes vivants et améliorer les thérapies cellulaires ». Des chercheurs du MIT sont allés plus loin, notamment dans les possibilités de reprogrammation cellulaire. Publiée dans la revue ScienceDaily en 2016, une équipe de chercheurs du MIT a réussi à reprogrammer les cellules afin qu’elles répondent à des stimuli extérieurs. Les circuits moléculaires ouvrent la voie à une informatique moléculaire élaborée in vivo afin de reprogrammer les systèmes vivants. Une telle reprogramation du vivant à l’aide de circuit moléculaire soulèverait évidemment des problèmes éthiques importants.