Des bactéries capables de calculer : une nouvelle étape vers l’informatique biologique

Des bactéries capables de réaliser des calculs informatiques : ce qui ressemble à de la science-fiction est désormais une réalité expérimentale. En 2013, des chercheurs de l’université de Stanford avaient fait sensation en fabriquant un transistor biologique à l’intérieur d’une cellule vivante. Treize ans plus tard, des scientifiques du MIT sont parvenus à franchir une nouvelle étape. Une étude publiée dans la revue Nature Chemical Biology révèle qu’ils ont non seulement développé des bactéries fonctionnant comme des transistors indépendants, mais qu’ils ont également réussi à les connecter entre eux pour former de véritables circuits biologiques capables d’effectuer des opérations logiques et arithmétiques.

Dans un circuit électronique conventionnel, un transistor joue le rôle d’un interrupteur en contrôlant le passage du courant électrique en fonction de signaux reçus. L’équipe de recherche a reproduit ce principe grâce à des modifications génétiques opérées sur une bactérie appelée Pantoea agglomerans, présente notamment à la surface des plantes. Au lieu de faire circuler des électrons à l’intérieur d’un circuit informatique, ce sont ici les molécules chimiques qui servent de signaux entre les différentes cellules.

Pour concevoir leur dispositif, deux variantes de la bactérie ont été créées afin de réagir différemment à des signaux chimiques. L’une est capable de s’activer en présence d’une molécule, tandis que l’autre réagit de manière opposée. Trois autres souches bactériennes ont également été modifiées pour assurer le relais des informations entre les différents transistors. Au total, ce sont donc cinq types de bactéries qui constituent les briques élémentaires du système.

Cette organisation présente un avantage comparé à certaines approches précédemment explorées dans ce domaine. Plutôt que de concentrer le système à l’intérieur d’une seule et même cellule, chaque bactérie remplit une fonction précise. Les risques d’interférences entre les différents mécanismes sont ainsi beaucoup plus limités et il est même possible d’associer les bactéries pour développer des opérations complexes.

Les signaux chimiques circulent entre les groupes de bactéries

Pour finaliser ce circuit biologique, les différentes colonies bactériennes ont été placées sur des plaques contenant de l’agar, un milieu nutritif favorable à leur développement. Elles sont disposées à environ cinq millimètres les unes des autres. Cet espacement permet aux molécules émises par une colonie de se diffuser jusqu’à la suivante, qui reçoit ainsi l’information et la transmet à son tour. Les signaux chimiques circulent donc d’un groupe de bactéries à l’autre, comme les informations entre les composants d’un circuit électronique.

Le principal avantage de ce système réside dans sa modularité. Pour modifier le fonctionnement du circuit, il suffit de changer la disposition des colonies bactériennes, sans qu’il soit nécessaire de procéder à de nouvelles modifications génétiques. En reliant 24 colonies bactériennes, les scientifiques ont notamment construit un circuit capable d’additionner deux signaux. D’autres circuits ont permis d’effectuer des opérations de type « OU » ou de transmettre une information en fonction d’une condition.

Ces résultats très prometteurs ont malgré tout une limite. Chaque calcul nécessite en effet environ huit heures, une durée considérable comparée à la rapidité des circuits électroniques. Mais les chercheurs estiment que cette lenteur n’est pas nécessairement un obstacle pour les débouchés envisagés dans l’agriculture.

Ils espèrent pouvoir intégrer ces circuits sur les feuilles ou les racines de plantes afin de leur donner la capacité de détecter différentes conditions environnementales. Les bactéries pourraient par exemple identifier des signes de sécheresse ou la présence d’organismes nuisibles, puis déclencher une réponse adaptée, comme la synthèse d’un fongicide.

Ces travaux ne sont toutefois qu’au stade de la démonstration expérimentale. Ces circuits ont été conçus et testés sur des supports de culture en laboratoire, et leur utilisation directe sur des végétaux reste une perspective de développement. L’objectif n’est en tout cas pas de remplacer les ordinateurs conventionnels, mais d’introduire des capacités de calcul directement dans des systèmes biologiques.