Un bio-ordinateur propulsé par des bactéries

Une équipe de recherche dirigée par l’Université McGill a mis au point un bio-ordinateur qui utilise des bactéries pour résoudre des problèmes complexes en consommant une fraction de la mémoire et des ressources nécessaires au fonctionnement d’ordinateurs à circuits intégrés classiques. D’après les scientifiques, cette technologie pourrait trouver des applications dans les domaines du chiffrement, de la biologie moléculaire et de l’IA, notamment. 

Les ordinateurs électroniques classiques testent chaque solution de façon séquentielle. La résolution des problèmes complexes peut ainsi prendre des années, voire des siècles. Les bactéries, en revanche, peuvent tester simultanément de nombreuses solutions. De plus, en se divisant, elles produisent de nouveaux « processeurs » biologiques, expliquent les scientifiques. 

« Les ordinateurs électroniques modernes peuvent effectuer des millions d’opérations par seconde à l’aide d’une seule puce, rapporte Dan Nicolau, auteur en chef de l’étude et professeur de génie biologique. Grâce à la division bactérienne, c’est comme si un million de puces fonctionnaient simultanément. S’il y a plus de puces, la résolution du problème est plus rapide, même si chaque “processeur” effectue moins d’opérations par seconde ». 

« La multiplication exponentielle des bactéries permet d’adapter le nombre de processeurs à l’ampleur du problème. C’est une toute nouvelle approche du calcul informatique », ajoute-t-il. 

Exploration simultanée de multiples possibilités 

Ce projet est le fruit de 20 années de collaboration entre des scientifiques de plusieurs établissements du Canada, d’Europe, du Royaume-Uni et d’Australie. 

Les scientifiques ont d’abord représenté un problème classique sous la forme d’un graphe illustrant des choix possibles. Ils ont ensuite reproduit ce graphe à l’aide d’un réseau de minuscules canaux interconnectés, par lesquels les bactéries pouvaient emprunter de nombreux parcours. Chaque parcours correspondait à une solution possible, tandis que des jonctions particulières, les « portes logiques », représentaient les points de décision. 

En se déplaçant dans les canaux, les bactéries à division rapide exploraient collectivement de nombreux parcours à la fois, testant un grand nombre de solutions en parallèle. Pour éviter une prolifération excessive, les scientifiques peuvent contrôler la multiplication des bactéries en ajustant la température du bio-ordinateur. 

En observant les déplacements des bactéries et en retraçant les parcours réussis dans le réseau, par analyse d’images automatisée, les scientifiques ont pu déterminer quelles combinaisons répondaient aux contraintes du problème. 

Un outil économe en ressources 

Selon les scientifiques, le bio-ordinateur n’est pas destiné à remplacer les ordinateurs électroniques ou quantiques, mais à offrir un outil économe en ressources pour résoudre à moindre coût des problèmes jusqu’ici insolubles. 

« Notre approche est adaptée aux problèmes que les ordinateurs électroniques ne sont pas conçus pour résoudre, comme la détermination de la structure des protéines, explique le professeur Nicolau. Contrairement à ce qu’on a pu affirmer, l’IA n’a pas véritablement résolu ces problèmes, parce que sa capacité d’analyse se limite aux données disponibles. La technologie que nous proposons vise à résoudre les problèmes, et non à formuler des estimations à partir de données antérieures. » 

L’étude 

L’article « Amplification of computational power by the multiplication of bacteria exploring microfluidic networks encoding mathematical problem », par Ayyappasamy Sudalaiyadum Perumal, Falco C. M. J. M. van Delft, Giulia Ippoliti, Ondřej Kašpar, Viola Tokárová, Monalisha Nayak, Matthew Cho, Jessica Li, Anja van Langen-Suurling, Charles de Boer, Frank Dirne, Dan V. Nicolau Jr et Dan V. Nicolau, a été publié dans Nature Microengineering and Nanosystems. 

La recherche a été financée par la Defense Advanced Research Projects Agency (États-Unis), le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le Conseil de recherches en sciences humaines du Canada, une bourse Australian Future Fellowship et l’Union européenne.