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Icônes de progrès
 

Le transistor ADN

IBM100 The DNA Transistor iconic mark
 

Le lancement, en 1990, du projet Génome humain – doté de 2,7 milliards de dollars par le ministère de l’Énergie américain et par les National Institutes of Health – suscita l’espoir d’avancées médicales majeures. Et l’annonce que la cartographie du génome était terminée, en 2003, fit naître un profond sentiment d’accomplissement.

Pourtant, à ce jour, on n’a encore pu entièrement séquencer et rendre disponible pour la recherche que le génome de moins de 50 personnes dans le monde. Tant que cette procédure n’aura pas été réalisée pour un grand nombre d’individus, les chercheurs en médecine ne seront pas en mesure de faire des découvertes majeures dans le domaine du diagnostic et des traitements personnalisés. Le problème numéro un est le coût. Même s’il a énormément baissé ces dix dernières années, le coût du séquençage de l’ADN demeure élevé – environ 10 000 $ par individu. Les scientifiques estiment qu’il faudra qu’il tombe à environ 100 $ pour que la recherche génomique puisse véritablement progresser.

C’est ici qu’intervient IBM Research. En associant les technologies de la génétique et des semi-conducteurs, au laboratoire Watson de New York, en 2007, les chercheurs Gustavo Stolovitzky et Stanislav Polonsky ont inventé un mécanisme qu’ils ont appelé « IBM® DNA Transistor » et qui permet de séquencer le matériel génétique de manière précise et économique – ils espèrent qu’il ne coûtera à terme que quelques centaines de dollars par personne. Ce projet est l’un des quelques programmes prometteurs qui pourraient élargir fantastiquement le champ de la génétique dans un avenir relativement proche. « Jusqu’où pouvons-nous baisser les coûts ? Il existe toutes sortes d’applications pour lesquelles l’informatique et la préparation d’échantillons ne sont pas des facteurs limitants, et dont le prix peut continuer à baisser », explique George Church, professeur de génétique à la Harvard Medical School.

Comment fonctionne le transistor ADN ? On place une membrane de silicium verticalement dans une chambre remplie d’une solution de façon à la diviser en deux. On met les brins de matériel génétique d’un côté de la chambre, et on applique une charge électrique – négative dans la moitié qui contient les brins d’ADN, positive de l’autre côté. La charge positive attire un brin dans un petit orifice de la membrane appelé nanopore. Par l’effet combiné des charges électriques et de la composition de la membrane, le brin progresse à travers le nanopore perle par perle. Grâce à cet « effet de crémaillère », il est possible de lire sa composition génétique de manière fiable et rapide.

Cette invention est advenue de façon fortuite. En 2007, Gustavo Stolovitzky, spécialiste de la génomique, et Stanislav Polonsky, physicien spécialiste des semi-conducteurs, se sont rencontrés par hasard dans un couloir du laboratoire IBM Research de Yorktown Heights, dans l’État de New York. Ils se sont mis à parler de différents problèmes de biologie. Gustavo a dit que la médecine pourrait faire de grands progrès si les chercheurs étaient en mesure de séquencer rapidement et à moindre coût la totalité du génome d’un individu. Ils ont alors évoqué la possibilité de recourir à la technologie des semi-conducteurs pour développer une machine de séquençage génomique rapide et bon marché. Au bout de quelques semaines, ils ont eu l’idée de ce qu’ils allaient appeler le transistor ADN.

Le projet a franchi un cap décisif en juillet 2010, quand IBM et le géant pharmaceutique suisse Roche ont annoncé leur association pour développer un séquenceur de gènes commercial basé sur le transistor ADN. Il reste de nombreux problèmes à résoudre. Les IBMers ont démontré par des simulations et des expériences la faisabilité de « l’effet de crémaillère ». Aujourd’hui, avec les chercheurs de Roche, ils doivent inventer de nouveaux procédés pour mettre ce principe en pratique. Objectif : disposer très vite d’un prototype opérationnel. « Nous travaillons pour atteindre cet objectif et, jusqu’à présent, la physique ne nous a pas contredits, observe Gustavo Stolovitzky. Nous rencontrons des difficultés techniques, mais ce sont des difficultés que nous sommes capables de surmonter. »

Le transistor ADN montre que le principe de pluridisciplinarité qui prévaut chez IBM Research peut déboucher sur des découvertes scientifiques qui seraient difficilement à la portée de chercheurs publics ou privés dont les travaux se concentrent sur un seul domaine. En associant des expertises en génomique, en physique et en calcul intensif (High Performance Computing, ou HPC), IBM contribue de façon décisive aux progrès de la recherche génétique. « La technologie a élargi le champ de la réalité observable ; elle nous invite à comprendre et à appréhender toujours mieux l’univers qui nous environne, l’univers génomique », explique Ajay Royyuru, qui dirige le Computational Biology Center chez IBM Research.

Grâce à de telles avancées, et pour la première fois en 200 000 ans d’histoire, nous autres humains allons commencer à vraiment savoir qui nous sommes.

L’ère qui s’annonce est celle de « l’informatique exaflopique » – où les performances seront multipliées par mille grâce à des technologies comme les impulsions lumineuses ou les nanotubes de carbone qui permettront de dépasser les puces et la connectique actuelles.

De récentes annonces d’IBM Research sur la technologie des puces CMOS nanophotoniques (CMOS Integrated Silicon Nanophotonics) pourraient donner une bonne longueur d’avance à IBM. Cette nouvelle technologie exaflopique, qui intègre des modules électriques et optiques sur un même morceau de silicium, permet aux puces de communiquer au moyen d’impulsions lumineuses (au lieu de signaux électriques), rendant possible la conception de puces plus petites, plus rapides et moins gourmandes en énergie.

En multipliant par 10 la puissance de traitement, l’intégration directe de modules et de fonctions optiques sur une puce de silicium bouleverse les règles et abolit les limites actuelles en matière de puissance et de vitesse de calcul. Une informatique hautes performances de nouvelle génération est en train de naître, IBM étant une fois de plus aux avant-postes, à l’intersection des sciences et du monde des affaires.