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ADN et stockage de données, vers une future "bibiotech" ?

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Trois-cents pages d'un livre stockées dans un milliardième de gramme d'ADN, le support de notre hérédité ! ** Sous la houlette de George Church, des chercheurs de l'université Harvard sont récemment parvenus à coder les vingt-six lettres de l'alphabet à partir de suites de nucléotides, les composants de l'ADN. Comment, pourquoi et quelles folles perspectives cette performance scientifique ouvre-t-elle - ou n'ouvre-t-elle pas - ?**

**Que les férus de science fiction ne s'emballent pas (encore) : sans désavouer totalement les possibilités d'utilisation de ce procédé de stockage pour l'avenir, le généticien Franz Manni et l'informaticien François Rechenmann les tempèrent... **

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Retour sur la performance
Le procédé est simple, presque enfantin. Pour parvenir à stocker les 53 426 mots et les 11 illustrations d'un essai sur la biologie de synthèse, sous forme de fragments d'acide désoxyribonucléique (ADN), l'équipe de chercheurs de Harvard est partie du système binaire informatique. Celui-ci fonctionne sur des suites de 0 et de 1 (des bits), chaque lettre de l'alphabet étant traditionnellement codée par 8 bits, soit un octet.

Ces lettres ont ensuite été transcrites à partir de la structure à base de sucre de l'ADN. Matière organique mais non vivante, l'ADN est, comme un collier composé de quatre types de perles , un polymère constitué de quatre types d'éléments appelés nucléotides : l'adénine (A), la thymine (T), la cytosine (C) et la guanine (G).

Ainsi, les 0 du système binaire ont été indifféremment codés à partir d'une molécule A ou C, tandis que les 1 se sont vu transformer en molécules G et T. Au final, huit nucléotides codent donc pour une lettre.

Exemple : La lettre A , en système binaire, se code par la suite de huit chiffres 01000001, ce qui pourrait se coder par la séquence de huit nucléotides AGCCACAT ou encore CTAACACG, ou encore ATCAAACT etc.

"Nous aurions pu affecter une valeur différente à chaque nucléotide et doubler la densité de stockage ", précisent les chercheurs pour la revue, La Recherche .

Sachant qu'avec ce procédé, le poids du livre transcrit est seulement d'un milliardième de gramme d'ADN, contre 650 kilo-octets pour sa version numérique.

La densité de stockage de cette matière biochimique est donc bien plus importante que celle proposée par l'informatique. A ce propos, George Church et son équipe se félicitent qu'il soit possible de stocker l'ensemble des données mondiales dans... quatre grammes d'ADN ! Soit 1,8 zettabytes. A titre de comparaison, la quantité d’ADN présente dans l’organisme humain avoisine les trois-cents grammes. En effet, si la séquence de l’ADN à l’intérieur de chaque cellule peut approximativement s'étendre sur un mètre, son poids est infinitésimal, car il s'agit de brins extrêmement fins.

De ce fait, à quoi peut donc ressembler ce livre stocké dans l'ADN ? "Il ne ressemble à rien ! Il ressemble à un minuscule grain de poussière à regarder au microscope. ", s'amuse Franz Manni généticien et maître de conférences au Musée National d'Histoire Naturelle.

De l'ADN d'humains et de bonobos, dans un laboratoire au Musée de l'homme
De l'ADN d'humains et de bonobos, dans un laboratoire au Musée de l'homme
© Radio France

*La performance des chercheurs de Harvard s'assimile plus à une prouesse technologique que conceptuelle. *

Franz Manni
Les éléments qui constituent l’ADN possèdent une structure chimique relativement simple. Pas difficile donc, de synthétiser celle-ci en laboratoire : "Il faut constituer le sucre, le nucléotide, mais il s'agit d'éléments assez basiques. C’est une des raisons pour lesquelles l’information est stockée, en biologie, dans l’ADN, car ce sont des constituants qui ont pu voir le jour au début de la vie, c'est-à-dire lorsque la complexité chimique et moléculaire du monde était plus simple que celle qu’on a aujourd’hui. "

En fait, le généticien pense que cette performance permet surtout de familiariser le public avec la puissance de l'ADN, capable de contenir une très grande quantité d’information : "L’exploit en lui-même revient un peu au même que lorsque l’inventeur de la radio, l’italien Guglielmo Marconi, avec un signal radio, arrivait à partir de Rome à allumer les lumières de Sidney. Ça avait impressionné l’opinion publique parce qu’on se disait « Regarde la puissance de ces médias ! »"

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Au-delà du spectaculaire, quelles perspectives ?
Le regard de Franz Manni, généticien

En plus de sa capacité de stockage phénoménale, "L'ADN est stable à température ambiante (...) Vous pouvez le déposer où vous voulez, dans le désert ou dans votre arrière-cour, et il sera là 400 000 ans plus tard ", déclarait Georges Church, cité par Le Monde informatique . Car, comme le soulignait récemment et avec humour Martin Vidberg, l'ADN peut atteindre le grand âge de 6,8 millions d'années avant d'être détruit. Toutes ces informations prêtent à rêver… et motivent certaines interrogations : l'ADN sera-t-il le support de stockage ultime de l'humanité ?

Pas si sûr, pour Franz Manni :

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Plutôt résistant l'ADN donc, mais uniquement dans la mesure où il est très bien conservé. Ce à quoi le généticien rétorque : "Si on mettait un disque dur dans une boîte de métal, la résistance au temps serait la même... " Mais comme il se plaît à le souligner, dans des milliers d’années, l’homme (s’il existe encore), saura sans doute toujours accéder facilement à l'information contenue dans l’ADN, puisque ce dernier est le propre support de cette information , en même temps que celui de notre hérédité. A contrario , les données numériques sont tributaires de supports matériels qui évoluent perpétuellement : disquettes, cédéroms, disques durs… Nos descendants disposeront-ils d'un lecteur permettant d'accéder à l'information contenue dans une très vieille disquette datant de 1970 ?…

Et concernant la dégradation de la séquence d'ADN par le temps, le problème est en partie pallié par le procédé de synthèse lui-même… :

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Plusieurs polymères donc, et heureusement ! Car il suffit qu'un seul nucléotide soit détérioré pour que toute la chaîne se décale, et que l'information, ou le livre, devienne illisible (même si l'erreur serait finalement facilement réparable grâce au traitement électronique).

Enfin, même si l'on considérait comme résolues les questions de résistance au temps de l'ADN, ainsi que celles concernant son décodage futur, resterait à savoir comment attirer l'attention des générations à venir sur ces micro "grains de poussière" dans lesquels seraient renfermées les informations qu'on souhaiterait leur transmettre... :

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Le scepticisme amusé de François Rechenmann, informaticien

Toute l'information nécessaire au développement et à la maintenance d'un être vivant est stockée dans l'ADN. C'est là que sont les gènes et les informations nécessaires à la cellule pour synthétiser des protéines. L'ADN est fait pour stocker de l'information.

François Rechenmann
François Rechenmann est bioinformaticien à l'Institut national de recherche en informatique et en automatique (INRIA).

Pour lui, il est un peu tôt pour dire s'il y a un avantage fort à stocker l'information sous une forme biochimique, plutôt qu'électronique ou optique, comme on le fait actuellement.

Comme Franz Manni, il rappelle que malgré sa fantastique densité de stockage, l'ADN possède une stabilité relative, susceptible de se dégrader, sans compter que les techniques de séquençage (lecture) de l'ADN sont encore relativement chères et délicates , même si elles sont appelées à progresser dans la dizaine d'années à venir, rendant la lecture de brins d'ADN plus rapide, moins coûteuse, et plus fiable.

D'ailleurs, rapporte Le Monde informatique , "en raison de la lenteur du processus de consignation des données, l'équipe d'Harvard ne considère pour le moment ce type de support que comme un moyen d'archivage de données. "

Enfin, François Rechenmann attire notre attention sur le fait que "l'ADN n'est pas quelque chose qui a été optimisé, c'est le résultat du bricolage de l'évolution pendant trois milliards et demi d'années. "

Pour lui, le stockage de données biochimique ne tient donc pas vraiment la comparaison avec le stockage de données numérique :

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Le bioinformaticien souligne qu'il est facile d'accéder à l'information contenue dans un support numérique, car "il s'agit d'artefacts : *le disque, optique, électronique ou magnétique, a été conçu pour être lu. En même temps qu'on conçoit le support, on conçoit le lecteur." * Il a donc tendance à penser que si les générations futures sont capables de décoder l'ADN, elles auront d'autant plus de facilité pour lire un vieux support numérique, quitte à refabriquer les lecteurs nécessaires… Mais pour l'instant ces supports ont de toute façon une durée de vie très limitée. La question ne se pose donc pas réellement.

Au final, même si François Rechenmann semble moyennement convaincu quant à l'avenir du stockage de données dans l'ADN, il se dit amusé et enthousiasmé par la performance de George Church :

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Une dernière question farfelue, pour les amateurs de science-fiction

Une machine pour multiplier l'ADN
Une machine pour multiplier l'ADN
© Radio France

L'ADN est-t-il un support biochimique exclusivement terrestre, ou peut-on envisager d'en envoyer dans l'espace pour tenter de prendre contact avec une éventuelle vie extra-terrestre qui, comme nous, serait constituée de cette molécule ?

En effet, l'an dernier, après avoir analysé une douzaine d'objets célestes, la NASA y a découvert la présence de bases azotées, composants essentiels de l'ADN. Quant à savoir si celles-ci ont été créées dans le cosmos ou proviennent d'une contamination par la vie terrestre… : "Actuellement ** , on pense que la première forme de vie, la première molécule capable de se recopier toute seule, était un ARN ancestral, et certains croient qu'il est arrivé sur Terre à dos de météorite , ce qui ne ferait que décaler ailleurs dans l'Univers, la grande question de l'apparition de la vie , affirme Marie-Eve Schodet, agrégée de biologie . Si cela s'est passé ainsi sur Terre, pourquoi pas ailleurs ? Mais tout cela est évidemment à prendre avec des pincettes… "

Quoi qu'il en soit, François Rechenmann comme Franz Manni ne sont pas persuadés que les extra-terrestres, pour peu qu'ils existent, soient constitués du même ADN, doté des mêmes nucléotides, que les humains.

Malgré tout, le généticien du Musée de l'homme estime qu'il est possible de tout envisager : "Comme c'est très léger et très petit, ça ne coûte pas grand chose de le faire. On peut toujours arroser l'espace de notre ADN ou de nos livres codés sous forme d'ADN ! " Mais il prévient que les radiations ionisantes sont de toute façon très énergetiques, et cassent les brins d'ADN lorsqu'ils les percutent. Sans parler du seul choc thermique de l'espace…

De son côté, François Rechenmann rappelle que si les voyages de l'homme dans l'espace sont limités, c'est justement à cause de la difficulté à résister aux rayons cosmiques : "Pour certains, c'est un obstacle insurmontable qui empêche même d'envisager des voyages humains de très longue durée, à très grande distance, dans le cosmos" . Et là n'est pas l'unique raison pour laquelle François Rechenmann se montre sceptique :

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Alors, faut-il miser sur l'avenir de l'ADN en tant que support par excellence de stockage de données ? Rien n'est moins sûr. Mais comme le rappelle sagement Franz Manni : "On est encore au début d’une technologie. Souvent, même les formules informatiques sont créées avant qu’elles aient une réelle utilisation ."