Stocker des films, des archives et des bibliothèques entières dans quelques grammes de matière : l’idée n’est pas neuve, mais elle butait sur une chimie lourde, faite de solvants organiques et de laboratoires spécialisés. L’équipe du projet HYPERION vient d’écrire de l’ADN dans l’eau, sur une puce de silicium ordinaire, 64 séquences à la fois. Le plus intéressant est ce qu’elle a trouvé en chemin : l’obstacle n’était pas là où on le cherchait — de quoi te demander si, face à un problème, tu sais repérer le vrai goulot d’étranglement.
Une molécule d'ADN est déjà une mémoire : quatre lettres chimiques, enchaînées dans un ordre précis. Rien n'interdit d'y ranger autre chose qu'un gène — un texte, une image, un fichier. L'intérêt tient à deux propriétés que le disque dur n'a pas : la densité, parce que l'information est écrite à l'échelle de la molécule, et la durée, parce que l'ADN se conserve très longtemps au sec et au frais. C'est pour cela qu'un projet financé par l'Union européenne, HYPERION, travaille sur le stockage de données dans l'ADN.
Jusqu'ici, fabriquer de l'ADN sur mesure passait par la chimie des phosphoramidites. Elle fonctionne et elle est bien maîtrisée, mais elle réclame des solvants organiques dangereux, du matériel adapté et donc des laboratoires centralisés. Écrire quelques fichiers devient alors une opération industrielle, avec tout ce que cela suppose de coûts et de déchets.
Difficile, dans ces conditions, d'imaginer une machine à écrire de l'ADN posée sur une paillasse ordinaire.
La synthèse enzymatique propose une autre route : laisser une enzyme assembler les lettres, comme le fait le vivant, dans un milieu aqueux. Plus propre, plus douce, beaucoup plus proche de ce qui se passe dans une cellule.
Le problème n'était pas la chimie elle-même, mais le nombre : on ne parvenait jusqu'à présent à écrire qu'une douzaine de séquences en parallèle. L'équipe en a produit 64 d'un coup, sur une seule puce semi-conductrice, et a publié le résultat dans la revue Nature Electronics.
Le plus inattendu est l'origine du matériel. La puce ne vient pas du monde de la biologie de synthèse : elle avait été conçue pour dialoguer avec des cellules nerveuses, en contrôlant très finement le courant envoyé à chaque électrode. L'équipe de Donhee Ham, professeur à l'université Harvard, s'est demandé si ce contrôle pouvait servir à tout autre chose.
« À un certain moment, nous nous sommes demandé si ce même contrôle du courant pouvait être redirigé des cellules vers les molécules, en remplaçant les électrodes orientées vers les neurones par des paires d'électrodes annulaires qui pourraient localiser le pH pour la synthèse de l'ADN. Ça a fonctionné », raconte Donhee Ham.
Le mécanisme tient en quelques étapes, et c'est là que l'électronique rejoint la chimie :
Autrement dit, la puce ne fabrique pas l'ADN toute seule : elle décide, site par site, où la chimie a le droit de se produire.
En resserrant les sites de synthèse pour en placer davantage, les chercheurs ont vu apparaître des erreurs : les molécules intermédiaires de la déprotection dérivaient vers les sites voisins. Le silicium, lui, faisait exactement ce qu'on lui demandait.
« La limite provenait de la chimie de déprotection, et non du silicium. Ce constat ouvre clairement la voie à la prochaine étape dans ce domaine: développer une chimie de déprotection plus directe, pilotée par un acide, capable de suivre le rythme de la puce », explique Han Sae Jung, coauteur principal.
« Si nous parvenons à synthétiser bien plus de 64 séquences en parallèle, nous pourrions ouvrir la voie à une méthode respectueuse de l'environnement pour l'écriture d'ADN à très grande échelle », ajoute Woo-Bin Jung, également coauteur principal.
Une seule expérience mobilise ici trois formations qu'on présente souvent comme séparées : l'électronique conçoit la puce et le pilotage des électrodes, la chimie fournit les enzymes et les groupes protecteurs, l'informatique décide comment traduire un fichier en lettres A, T, G et C. Personne ne maîtrise les trois, et c'est exactement pour cela que le travail se fait à plusieurs.
Il y a une seconde leçon, moins visible. Le résultat le plus utile de cette étude n'est pas le chiffre 64 : c'est la phrase qui dit où se trouve réellement le blocage. Découvrir que l'obstacle n'est pas celui qu'on soupçonnait vaut souvent mieux qu'un record, parce que cela indique à toute une communauté où travailler ensuite.
Le projet HYPERION a montré qu'on peut écrire 64 séquences d'ADN en parallèle sur une puce de silicium, dans l'eau, en pilotant le pH avec des paires d'électrodes annulaires empruntées à un dispositif prévu pour les neurones. La démonstration a encodé 169 octets et a paru dans Nature Electronics. Surtout, elle a déplacé la question : le plafond ne tient pas au silicium mais à la chimie de déprotection, et c'est là que se jouera la suite.
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