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Electronique et biologie moléculaires

Dossier - Nanotechnologies : l'essor des nanobiologie, info, et nanotechnologies
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D'importants développements scientifiques et technologiques se sont réalisés au cours des dernières années en biologie. On voit apparaitre une convergence entre biotechnologies, infotechnologies, nanotechnologies et microélectroniques. Ces innovations auront une importance de plus en plus grande sur les sciences du vivant et leurs applications industrielles.

  
DossiersNanotechnologies : l'essor des nanobiologie, info, et nanotechnologies
 

Différentes méthodes et technologies de production ouvrent en effet la voie à des nouveaux types de polymères conducteurs et semi-conducteurs capables de servir de base à l'électronique moléculaire de demain. Les composants électroniques moléculaires se présentent actuellement comme les successeurs potentiels des semiconducteurs.

Ces composants de synthèse offrent de nombreux avantages par rapport aux semi-conducteurs classiques: assemblage tridimensionnel, matériaux de synthèse permettant d'obtenir des propriétés sur mesures, miniaturisation approchant celle des structures biologiques, possibilités d'interface avec des systèmes vivants (9,12,14).

L'objectif de nombreux chercheurs en électronique moléculaire est d'arriver à fabriquer des bio-ordinateurs à ADN et des mémoires de masse utilisant des protéines photosensibles. L'idée d'une informatique à base d'ADN a été lancée pour la première fois en 1994 par Léonard Aldeman de l'Université de Californie. Dans un article désormais célèbre, il explique comment on peut utiliser une méthode biologique de laboratoire pour résoudre un problème classique de mathématiques: organiser l'itinéraire d'un voyageur de commerce passant par 7 villes sans jamais en retraverser une seule. Plusieurs laboratoires dans le monde ont réussi à reproduire la technique bioinformatique de Aldeman en utilisant la biologie moléculaire classique et des méthodes enzymatiques. Les brins d'ADN comportant des éléments spécifiques, comme les codes chimiques correspondant aux villes de l'expérience originale, se combinent en parallèle dans les tubes à essai en un temps très court et donnent la solution du problème. L'extraction, le tri et la lecture des séquences de molécules d'ADN comportant la solution au problème posé ne peuvent se faire que par des opérations longues et routinières.

C'est pourquoi de nombreux laboratoires dans le monde travaillent actuellement à l'automatisation des processus enzymatiques permettant d'analyser les molécules donnant la solution au problème posé, grâce, notamment à des nanolaboratoires fonctionnant en parallèle. Le bio-ordinateur à ADN permettra de traiter en un temps record des problèmes d'une grande complexité, mais restera sans doute complémentaire de l'informatique utilisant des semiconducteurs ou l'électronique moléculaire. Les progrès réalisés au cours des deux dernières années permettent d'augurer de nouveaux débouchés dans le secteur du traitement moléculaire de l'information.

Un tel traitement va de pair avec la mémorisation des informations à l'échelle moléculaire. Des protéines naturelles pourraient servir de mémoires de masse pour les bio-ordinateurs du futur. Les protéines photoréceptrices, comme la bactériorhodopsine (BR), sont capables de convertir directement la lumière en un signal. Ce processus implique la formation d'un dipôle électrique et s'accompagne d'un changement de couleur de la protéine.

Au cours de ce processus une charge positive est transférée depuis l'intérieur vers l'extérieur de la cellule. Ce qui constitue la base d'un mécanisme de stockage d'énergie dans la bactérie utilisant cette protéine. Ce principe peut être utilisé pour stocker des informations et des données. Des techniques d'ingénierie génétique peuvent être utilisées pour stabiliser les deux états naturels de la molécule de BR et passer de l'un à l'autre en utilisant des lumières de couleurs différentes. En affectant des valeurs binaires 0 et 1 aux deux états de la protéine, un ensemble de molécules peut servir de mémoire de masse.

On peut en effet superposer plusieurs pellicules BR les unes sur les autres pour créer des mémoires en trois dimensions. Leurs très petites tailles permettraient de créer d'énormes capacités de stockage par unité de volume.