Des bactéries qui jouent le rôle de transistors et de fils

L’équipe a conçu deux souches bactériennes fonctionnant comme des transistors moléculaires, commandés par de petites molécules. La première est activée par la molécule d’entrée OC-6, tandis que la seconde est inhibée par cette même molécule. Toutes deux réagissent également à OC-12 et peuvent produire le signal chimique OHC-14 lorsque les conditions internes requises sont réunies.

Trois autres souches servent de relais. Elles traitent le signal OHC-14 et le convertissent en molécules reconnues par les colonies de transistors situées plus loin dans le circuit. Dans un dispositif électronique, les fils relient les composants ; ici, ce sont les colonies relais qui assurent cette connexion en faisant circuler des messages moléculaires dans le milieu de culture.

Cette architecture permet de contourner une difficulté bien connue des circuits génétiques regroupés dans une seule cellule. Chaque nouvelle fonction de régulation mobilise une partie de la machinerie moléculaire de la cellule. Lorsque les fonctions s’accumulent, les facteurs de transcription peuvent interagir de manière indésirable et la production de protéines impose une charge importante à la cellule. En spécialisant plusieurs populations, chaque souche n’a à accomplir qu’une tâche locale.

Le programme se trouve aussi dans la disposition des colonies

Les chercheurs ont imprimé les bactéries sous forme de points sur de l’agar, un gel nutritif couramment utilisé pour cultiver des micro-organismes. Les colonies voisines étaient espacées d’environ 5 millimètres, une distance conçue pour favoriser le passage des signaux chimiques d’une colonie à l’autre.

La fabrication suivait d’abord un plan d’impression, puis la préparation et la croissance des différentes souches avant leur dépôt sur l’agar. Le protocole expérimental décrit notamment leur culture sur un agar sélectif et leur préparation dans un format à plusieurs puits avant l’impression.

Dans ce système, la position et l’identité de chaque colonie déterminent donc la manière dont l’information circule. Pour reconfigurer le circuit, il suffit de modifier le motif imprimé : quelle souche occupe chaque emplacement et quelles colonies se trouvent côte à côte. L’ADN des bactéries n’a pas besoin d’être réécrit pour chaque nouvelle fonction. Une partie de la programmation passe ainsi de la biologie moléculaire à l’assemblage physique.

Des portes logiques à l’additionneur complet

Les chercheurs ont testé leur architecture avec des opérations de complexité croissante, parmi lesquelles :

• la logique OR, où l’activation d’au moins une entrée peut déclencher la sortie ;
• des opérations de type implication, qui combinent les entrées selon une relation conditionnelle ;
• un démultiplexeur 1 vers 4, capable d’orienter un signal d’entrée vers l’une de quatre sorties en fonction de signaux de commande ;
• des circuits arithmétiques, dont un demi-additionneur et un additionneur complet.

La démonstration de l’additionneur complet reposait sur 24 colonies imprimées. Elle montre que le calcul peut être distribué entre plusieurs populations bactériennes coopérantes, plutôt que concentré dans une cellule génétiquement surchargée.

Huit heures : très lent pour une puce, pertinent pour le vivant

Chaque calcul demandait environ huit heures. Comparée aux circuits au silicium, capables d’exécuter des opérations sur des échelles de temps de l’ordre de la nanoseconde ou plus rapidement, cette performance est extrêmement lente. Ces dispositifs n’ont donc pas vocation à remplacer les processeurs ni à effectuer de l’informatique numérique conventionnelle.

Leur intérêt potentiel est ailleurs. Un circuit bactérien pourrait détecter directement des conditions biologiques ou chimiques sur le lieu où une réponse est nécessaire, sans dépendre d’un système électronique classique. Le stress hydrique d’une plante, une attaque d’insectes ou le développement d’une maladie s’étendent généralement sur des heures ou des jours : dans ce contexte, un délai de huit heures peut devenir acceptable.

Le compromis est donc clair : sacrifier la vitesse pour gagner une intégration biologique. Un circuit vivant pourrait, en principe, reconnaître une combinaison de signaux et déclencher ensuite une réponse biologique locale.

Des applications possibles sur les racines ou les feuilles

Les chercheurs envisagent notamment des environnements associés aux plantes. Un circuit placé sur une racine ou une feuille pourrait combiner des signaux liés à la sécheresse, aux insectes ou à des agents pathogènes, puis ne réagir que lorsque la combinaison appropriée est détectée.

À terme, un tel système pourrait par exemple déclencher la production d’un composé fongicide ou d’une autre substance protectrice pour la plante. Il ne s’agit pas encore d’un produit agricole démontré, mais d’une piste de recherche qui illustre l’intérêt d’un calcul chimique : même lent, il peut être utile lorsqu’il intervient directement dans un processus biologique.

Une nouvelle façon de concevoir la biologie de synthèse

La conception traditionnelle de circuits génétiques cherche souvent à concentrer le plus grand nombre possible de fonctions dans une seule cellule. L’approche du MIT pose une question différente : quelles fonctions faut-il répartir entre plusieurs populations, et comment faut-il disposer ces populations pour les relier ?

Cette séparation peut réduire la charge imposée à chaque cellule tout en ajoutant une nouvelle couche de programmation :

• le génie génétique définit ce que chaque souche est capable de faire ;
• l’impression détermine la manière dont ces capacités sont connectées.

Le résultat est une plateforme biologique reconfigurable, construite à partir d’un petit ensemble de composants spécialisés plutôt que d’une souche entièrement nouvelle pour chaque circuit logique. Les travaux ont été financés en partie par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), l’agence américaine chargée de projets de recherche avancée pour la défense, et par l’Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA).

Des bactéries qui jouent le rôle de transistors et de fils

L’équipe a conçu deux souches bactériennes fonctionnant comme des transistors moléculaires, commandés par de petites molécules. La première est activée par la molécule d’entrée OC-6, tandis que la seconde est inhibée par cette même molécule. Toutes deux réagissent également à OC-12 et peuvent produire le signal chimique OHC-14 lorsque les conditions internes requises sont réunies.

Trois autres souches servent de relais. Elles traitent le signal OHC-14 et le convertissent en molécules reconnues par les colonies de transistors situées plus loin dans le circuit. Dans un dispositif électronique, les fils relient les composants ; ici, ce sont les colonies relais qui assurent cette connexion en faisant circuler des messages moléculaires dans le milieu de culture.

Cette architecture permet de contourner une difficulté bien connue des circuits génétiques regroupés dans une seule cellule. Chaque nouvelle fonction de régulation mobilise une partie de la machinerie moléculaire de la cellule. Lorsque les fonctions s’accumulent, les facteurs de transcription peuvent interagir de manière indésirable et la production de protéines impose une charge importante à la cellule. En spécialisant plusieurs populations, chaque souche n’a à accomplir qu’une tâche locale.

Le programme se trouve aussi dans la disposition des colonies

Les chercheurs ont imprimé les bactéries sous forme de points sur de l’agar, un gel nutritif couramment utilisé pour cultiver des micro-organismes. Les colonies voisines étaient espacées d’environ 5 millimètres, une distance conçue pour favoriser le passage des signaux chimiques d’une colonie à l’autre.

La fabrication suivait d’abord un plan d’impression, puis la préparation et la croissance des différentes souches avant leur dépôt sur l’agar. Le protocole expérimental décrit notamment leur culture sur un agar sélectif et leur préparation dans un format à plusieurs puits avant l’impression.

Dans ce système, la position et l’identité de chaque colonie déterminent donc la manière dont l’information circule. Pour reconfigurer le circuit, il suffit de modifier le motif imprimé : quelle souche occupe chaque emplacement et quelles colonies se trouvent côte à côte. L’ADN des bactéries n’a pas besoin d’être réécrit pour chaque nouvelle fonction. Une partie de la programmation passe ainsi de la biologie moléculaire à l’assemblage physique.

Des portes logiques à l’additionneur complet

Les chercheurs ont testé leur architecture avec des opérations de complexité croissante, parmi lesquelles :

• la logique OR, où l’activation d’au moins une entrée peut déclencher la sortie ;
• des opérations de type implication, qui combinent les entrées selon une relation conditionnelle ;
• un démultiplexeur 1 vers 4, capable d’orienter un signal d’entrée vers l’une de quatre sorties en fonction de signaux de commande ;
• des circuits arithmétiques, dont un demi-additionneur et un additionneur complet.

La démonstration de l’additionneur complet reposait sur 24 colonies imprimées. Elle montre que le calcul peut être distribué entre plusieurs populations bactériennes coopérantes, plutôt que concentré dans une cellule génétiquement surchargée.

Huit heures : très lent pour une puce, pertinent pour le vivant

Chaque calcul demandait environ huit heures. Comparée aux circuits au silicium, capables d’exécuter des opérations sur des échelles de temps de l’ordre de la nanoseconde ou plus rapidement, cette performance est extrêmement lente. Ces dispositifs n’ont donc pas vocation à remplacer les processeurs ni à effectuer de l’informatique numérique conventionnelle.

Leur intérêt potentiel est ailleurs. Un circuit bactérien pourrait détecter directement des conditions biologiques ou chimiques sur le lieu où une réponse est nécessaire, sans dépendre d’un système électronique classique. Le stress hydrique d’une plante, une attaque d’insectes ou le développement d’une maladie s’étendent généralement sur des heures ou des jours : dans ce contexte, un délai de huit heures peut devenir acceptable.

Le compromis est donc clair : sacrifier la vitesse pour gagner une intégration biologique. Un circuit vivant pourrait, en principe, reconnaître une combinaison de signaux et déclencher ensuite une réponse biologique locale.

Des applications possibles sur les racines ou les feuilles

Les chercheurs envisagent notamment des environnements associés aux plantes. Un circuit placé sur une racine ou une feuille pourrait combiner des signaux liés à la sécheresse, aux insectes ou à des agents pathogènes, puis ne réagir que lorsque la combinaison appropriée est détectée.

À terme, un tel système pourrait par exemple déclencher la production d’un composé fongicide ou d’une autre substance protectrice pour la plante. Il ne s’agit pas encore d’un produit agricole démontré, mais d’une piste de recherche qui illustre l’intérêt d’un calcul chimique : même lent, il peut être utile lorsqu’il intervient directement dans un processus biologique.

Une nouvelle façon de concevoir la biologie de synthèse

La conception traditionnelle de circuits génétiques cherche souvent à concentrer le plus grand nombre possible de fonctions dans une seule cellule. L’approche du MIT pose une question différente : quelles fonctions faut-il répartir entre plusieurs populations, et comment faut-il disposer ces populations pour les relier ?

Cette séparation peut réduire la charge imposée à chaque cellule tout en ajoutant une nouvelle couche de programmation :

• le génie génétique définit ce que chaque souche est capable de faire ;
• l’impression détermine la manière dont ces capacités sont connectées.

Le résultat est une plateforme biologique reconfigurable, construite à partir d’un petit ensemble de composants spécialisés plutôt que d’une souche entièrement nouvelle pour chaque circuit logique. Les travaux ont été financés en partie par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), l’agence américaine chargée de projets de recherche avancée pour la défense, et par l’Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA).