Un ordinateur biologique capable de décrypter des images

Rodolphe Cohen 10/02/2012 0

Des médecins développent un ordinateur biologique pour crypter et décrypter des images

ScienceDaily (7 février 2012) – Des médecins de l’Institut « Scripps Research » en Californie et l’Institut Technion-Israel of Technology ont développé un « ordinateur biologique » entièrement fait à partir de biomolécules capable de déchiffrer les images cryptées sur puces à ADN. Bien que l’ADN a été utilisé pour le chiffrement dans le passé, c’est la première démonstration expérimentale d’un cryptosystème moléculaire d’images basée sur l’ADN.

L’étude a été publiée dans la « online before edition » avant impression de la revue Angewandte Chemie.
Au lieu d’utiliser du matériel informatique traditionnelle, un groupe dirigé par le professeur Ehud Keinan de Scripps Research et le Technion, a créé un système informatique utilisant des biomolécules. Lorsque le logiciel approprié a été appliqué à l’ordinateur biologique, il arrive à déchiffrer, séparément, des images fluorescentes de The Scripps Research Institute et les logos du Technion.

Une union entre biologie et informatique

En expliquant l’union de l’œuvre des domaines souvent disparates de la biologie et l’informatique, Keinan note qu’un ordinateur est, par définition, une machine faite de quatre éléments: matériel, logiciel, entrée (input) et sortie (output). Les ordinateurs traditionnels ont toujours été électroniques, des machines dans lesquelles à la fois l’entrée (clavier par exemple) et la sortie  (écran) sont des signaux électroniques. Le matériel est une composition complexe d’éléments métalliques et plastiques, des fils et des transistors, et le logiciel est une séquence d’instructions à la machine sous la forme de signaux électroniques.

« Contrairement à des ordinateurs électroniques, il y a des machines informatiques, dans lequel tous les quatre composantes ne sont rien d’autres que des molécules», dit Keinan. Par exemple, « tous les systèmes biologiques et les organismes vivants, peuvent être considérés comme des ordinateurs. Chacun de nous est un ordinateur biomoléculaire, une machine dans laquelle tous ces quatre composantes sont des molécules qui «communiquent» à l’autre de manière logique. »

Keinan note que le matériel et le logiciel dans ces dispositifs, sont des molécules biologiques complexes qui activent les uns des autres pour mener à bien certains travaux chimiques prédéterminés. L’entrée est une molécule qui subit des changements spécifiques, prédéterminées, à la suite d’un ensemble spécifique de règles (logiciel), et la sortie de ce processus de calcul chimique est une autre molécule bien définie.

« Construire » un ordinateur biologique

Lorsqu’on lui a demandé à quoi ressemblait un ordinateur biologique, Keinan sourit.

« Eh bien, » a-t-il dit, « ce n’est pas très photogénique. » Cet ordinateur est « construit » en combinant les composants chimiques dans une solution dans un tube. Des petites molécules d’ADN différentes  sont mélangées en solution avec des enzymes à ADN et de l’ATP. Ce dernier est utilisé comme source d’énergie du dispositif.

«C’est une solution liquide – vous ne voyez pas grand choses», a déclaré Keinan. « Les molécules commencent à interagir les uns des autres, nous prenons du recul et observons ce qui se passe. »
Et en jouant avec le type d’ADN et les enzymes dans le mélange, les scientifiques peuvent affiner le processus à un résultat souhaité.

« Notre dispositif informatique biologique repose sur un concept vieux de 75 ans élaboré par le mathématicien anglais, cryptanalyste et informaticien Alan Turing » a déclaré Keinan. « Il était très influent dans le développement de la science informatique, en fournissant une formalisation des concepts de l’algorithme et de calcul ; il a joué notamment un rôle important dans la création de l’ordinateur moderne. Turing a montré de façon convaincante que l’utilisation de ce modèle pouvait être utilisée pour faire toute sorte de calculs dans le monde.
L’entrée (Input) de la machine de Turing est une longue bande contenant une série de symboles et de lettres qui rappelle une chaîne d’ADN. Une tête de lecture passe d’une lettre à l’autre, et à chaque station, il fait quatre actions:

  1. Lecture de la lettre
  2. Le remplacement de cette lettre par une autre lettre
  3. Change son état interne
  4. Déplacement à la position suivante

Un tableau d’instructions, appelées règles transitoires dictent ces actions au logiciel.
Notre dispositif est basé sur le modèle d’un automate à états finis, qui est une version simplifiée de la machine de Turing. « 

Des propriétés biologiques uniques

Maintenant qu’il a démontré la viabilité d’un ordinateur biologique, Keinan espére t-il que ce modèle sera en concurrence avec son homologue électronique ?

«L’intérêt sans cesse croissant des dispositifs informatiques biomoléculaires ne s’est pas construit dans l’espoir que ces machines puissent rivaliser avec les ordinateurs électroniques, qui offrent une plus grande vitesse, une reproduction fidéle et un potentiel de tâches de calculs traditionnels», a déclaré Keinan. « Les principaux avantages de dispositifs informatiques biomoléculaires par rapport à des ordinateurs électroniques touchent d’autres propriétés. »

Comme le montre dans ce travail, poursuit-il, une mine d’informations peuvent être stockées et chiffrées dans les molécules d’ADN. Bien que chaque étape de calcul est plus lent que le flux d’électrons dans un calculateur électronique, le fait que des milliards de ces étapes chimiques sont effectuées en parallèle rend très rapide l’ensemble du processus de calcul. « Considérant le fait que la technologie des biopuces actuelle permet d’imprimer des millions de pixels sur une seule puce, les numéros d’images possibles qui peuvent être chiffrés sur ces puces est astronomiquement élevé, » at-il dit.

« En outre, comme indiqué dans nos précédents travaux et d’autres projets réalisés dans notre laboratoire, ces dispositifs peuvent interagir directement avec les systèmes biologiques, et même avec des organismes vivants», a expliqué Keinan. « Aucune interface n’est nécessaire puisque tous les composants d’ordinateurs moléculaires, y compris les matériels, logiciels, d’entrée et de sortie sont des molécules qui interagissent dans la solution le long d’une cascade d’événements chimiques programmables. » Il ajoute qu’en raison de la capacité de l’ADN pour stocker des informations, les entreprises informatiques majeures ont été extrêmement intéressées par le développement de systèmes informatiques basés sur l’ADN.

 

Le premier auteur de l’étude, « un cryptosystème moléculaire pour les images par l’informatique ADN, » est l’étudiant diplômé du Technion Sivan Shoshani. En plus de Keinan et Shoshani, les auteurs incluent le stagiaire postdoctoral Ron Piran du Scripps Research et Yoav Arava du Technion (Haïfa, Israël).Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation, la Fondation scientifique israélo-américaine et l’Institut Skaggs de biologie chimique, ainsi que les bourses d’études supérieures de l’Irwin et Joan Jacobs, la Fondation Fine, la « Russell Berrie Nanotechnology Institute » et le Ministère israélien pour la Science et de la technologie.

 

Source : Article traduit du ScienceDaily : “Scientists Develop Biological Computer to Encrypt and Decipher Images”

 

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