Aujourd’hui, les progrès accomplis en biologie vont-ils nous permettre de réaliser certains des rêves de la nanotechnologie ? Cela semble de plus en plus le cas, ainsi qu’en témoignent les récents progrès en bionanotechnologie.

Il existe une différence légère entre biologie synthétique et bionanotechnologie (même si ces deux champs partagent énormément de points communs). La première cherche à modifier des systèmes vivants, même à les créer ex nihilo. La seconde cherche à bâtir des objets non vivants, à partir de composés propres à ce dernier ou à partir d’organismes vivants.

On le sait, la nanotechnologie s’est révélée incapable de remplir les promesses faites par son fondateur, K. Eric Drexler. Si les nouveaux matériaux sont légion et que cette nanotechnologie “modeste” triomphe et amasse les crédits, on parle de moins en moins de nanorobots, par exemple. Il semble bien que les lois de la physique s’opposent à la création de nanosystèmes “secs” (c’est-à-dire non organiques, comme le sont les composants électroniques à l’échelle nanométrique qui forment l’essentiel de la nanotechnologie) selon les procédés imaginés par Drexler.

Un commodore 64 dans un cafard

Avec la biologie synthétique, pourtant, le rêve des nanorobots est ressuscité. La technologie la plus prometteuse dans ce domaine est sans doute l’origami ADN. Cette méthode, rappelons-le, consiste à utiliser l’ADN, non comme porteur du code génétique, mais comme un fil de construction, qu’on peut plier comme on le désire pour lui faire adopter toutes les formes et, ainsi, créer des objets au niveau nanométrique. C’est en utilisant ce procédé qu’une équipe israélienne a pu mettre au point un groupe de “nanorobots” capable de circuler à l’intérieur du corps d’un cafard ! Un tel nanorobot est en fait une “boîte” générée à partir d’origami ADN, à l’intérieur de laquelle se trouve un produit (par exemple un médicament) qui peut être délivré quand la boîte s’ouvre. Certaines des structures ont été conçues pour interagir avec des protéines se trouvant dans l’organisme de l’insecte, ou avec d’autres protéines qui pourraient provenir d’un de leurs congénères robots.

Si certaines conditions sont remplies (c’est-à-dire si certaines protéines sont rencontrées), la boîte peut s’ouvrir et laisser sortir la molécule qu’elle transporte. La boîte peut donc effectuer des calculs en fonction d’opérations logiques (par exemple, si telle protéine et telle autre sont présentes, mais pas une troisième, ouvrir la boîte…).

La programmation pour chaque boîte reste évidemment limitée, mais l’intérêt est de multiplier le nombre de ces nanorobots et les faire interagir entre eux afin de leur permettre de prendre, collectivement, des décisions de plus en plus complexes.

Pour vérifier la valeur de leurs travaux, les chercheurs ont équipé chaque “nanoboîte” d’un marqueur fluorescent. Ils ont ainsi pu constater que l’essaim de robots se comportait effectivement comme souhaité, libérant les produits transportés en fonction des besoins spécifiés. Selon les chercheurs, en multipliant les robots, il devrait être possible de produire, en puissance de calcul, l’équivalent d’un Commodore 64 ou d’un Atari 800.

Quel est le bénéfice d’une telle technologie ? Elle permettrait d’améliorer par exemple le traitement du cancer. Jusqu’ici la délivrance des médicaments n’était pas assez précise, d’où les complications induites par la chimiothérapie. Avec ce système, il serait possible de produire des médicaments vectorisés, c’est-à-dire délivrés où et quand ils sont souhaités.

Les chercheurs espèrent passer à des essais sur l’humain d’ici quelques années. Mais le passage du cafard au mammifère pose des problèmes. En effet, le système immunitaire humain est plus agressif, et il faudrait trouver le moyen pour que ces robots ne soient pas victimes d’une réaction de rejet.

En tout cas, comme le clame le blog Next Big Future à propos de cette expérience : “C’est le développement de la vision de la nanomédecine. C’est la réalisation de la puissance de la nanotechnologie ADN. C’est la nanotechnologie programmable de l’ADN.”

Quel avenir pour l’industrie biologique ?

Jusqu’où peut-on utiliser la biologie comme système de fabrication industrielle ? Sur son blog, Rob Carlson (@rob_carlson), l’auteur de La Biologie est une technologie et fondateur de Biodesic, s’interroge sur l’avenir de la “construction” en biologie. Dans cet article très optimiste, ce qui n’est guère étonnant pour cet enthousiaste des biotechs, il reste cependant prudent :

“Aussi attrayante et puissante que soit la biologie comme technique de construction, je ne suis pas sûr qu’elle soit assez puissante. Les autres méthodes utilisées par les humains pour construire des choses, ou des choses qui construisent des choses, feront probablement encore partie de notre boîte à outils dans le futur. La plomberie et les tuyaux anticorrosion, par exemple, constituent un système très pratique pour déplacer des fluides, et je n’attends pas que du téflon puisse être généré biologiquement avant longtemps. La photolithographie, l’électrodéposition, la robotique, qui émergent aujourd’hui sous la forme de l’impression 3D, permettent un contrôle précis sur la position de la matière, bien qu’utilisant des processus et des matériaux inamicaux envers la biologie.”

Carlson voit, lui, un mariage possible entre biologie et impression 3D. Il ne parle pas seulement de l’impression des organes, qui a fait beaucoup de bruit à un moment. Il remarque cependant que si les tissus imprimés aujourd’hui ne sont pas susceptibles d’être transplantés dans un corps humain, ils sont néanmoins déjà utilisés pour effectuer des tests de médicaments, ou de toxicité. Mais ce que Carlson a en tête ne s’arrête pas là : il imagine d’autres structures, basées sur la biologie et en mesure d’être imprimées. Il s’agirait d’utiliser des encres biologiques qui auraient plusieurs propriétés, par exemple : “De petites molécules (d ! es produits chimiques) qui réagissent les unes avec les autres ou avec l’environnement après l’impression ; de l’ADN ou des protéines ayant des rôles structurels, fonctionnels (par exemple de l’électronique) ou même génétiques après l’impression. Des virus qui forment des structures, ou qui sont conçus pour interagir biologiquement avec les couches supérieures de l’objet imprimé ; des cellules qui interagissent entre elles ou suivent un programme de développement défini génétiquement ou par le substrat” (c’est-à-dire l’environnement où elles se développent).

Pour Carlson, et malgré les limitations qu’il a mentionnées, les possibilités futures sont immenses. Et de conclure :

“Tout ce que je puis dire, c’est que nous sommes en train de faire des progrès substantiels dans notre apprentissage de la manipulation de la matière, et dans la programmation de celle-ci. La science-fiction a couvert ce terrain à plusieurs reprises, parfois bien, parfois mal. Mais maintenant, nous travaillons dans le monde réel (…). Les détails sont certainement difficiles à discerner, mais si vous prenez un peu de recul, la trajectoire générale devient claire.

C’est un chemin que John von Neumann et Norbert Wiener ont énoncé il y a plusieurs décennies. La physique et les mathématiques nous ont appris quelles seraient les possibilités de base. La chimie et la science des matériaux ont permis de découvrir de nombreux exemples détaillés d’arrangements particuliers d’atomes produisant des comportements physiques spécifiques. La théorie du contrôle nous a enseigné à la fois comment se comportent les organismes et comment construire des robots qui agissent de la même façon. Maintenant, nous apprenons à programmer la biologie au niveau moléculaire. L’espace du possible, du réalisable, s’accroît tous les jours. Cela va être un voyage intéressant.”

Rémi Sussan