Nous avons tendance à séparer le cerveau et le muscle : le cerveau pense ; le muscle fait le travail. Le cerveau absorbe des informations complexes sur le monde et prend des décisions, tandis que le muscle se contente d’exécuter. Cela a également façonné notre façon de concevoir une cellule unique ; certaines molécules à l’intérieur des cellules sont considérées comme des « penseurs » qui captent des informations sur l’environnement chimique et décident de ce que la cellule doit faire pour survivre ; séparément, d’autres molécules sont considérées comme le « muscle », construisant les structures nécessaires à la survie.
Mais une nouvelle étude montre comment les molécules qui construisent les structures, c’est-à-dire le muscle, peuvent elles-mêmes penser et agir. L’étude, réalisée par des scientifiques de l’Université de Chicago, du California Institute of Technology et de l’Université Maynooth, a été publié dans Nature et peut suggérer de nouvelles façons de penser le calcul en utilisant les principes de la physique.
« Nous montrons qu’un processus moléculaire naturel – la nucléation – étudié depuis longtemps en tant que » muscle « peut effectuer des calculs complexes qui rivalisent avec un simple réseau neuronal », a déclaré UChicago Assoc. Professeur Arvind Murugan, l’un des deux co-auteurs principaux de l’article. « C’est une capacité cachée à la vue de tous : les molécules « agissantes » peuvent aussi faire « penser ». L’évolution peut exploiter ce fait dans les cellules pour faire plus avec moins de pièces, avec moins d’énergie et une plus grande robustesse.
Penser en utilisant la physique
Pour survivre, les cellules doivent reconnaître l’environnement dans lequel elles se trouvent et réagir en conséquence. Par exemple, certaines combinaisons de molécules peuvent indiquer une période de stress qui nécessite de se replier, tandis que d’autres combinaisons de molécules peuvent indiquer une période d’abondance. Cependant, la différence entre ces signaux moléculaires peut être subtile : différents environnements peuvent impliquer les mêmes molécules mais dans des proportions différentes.
Constantine Evans, l’auteur principal de l’étude, a expliqué que c’est un peu comme entrer dans une maison et sentir des biscuits fraîchement sortis du four plutôt que du caoutchouc brûlé. « Votre cerveau modifierait votre comportement en fonction de la détection de différentes combinaisons de produits chimiques odorants », a-t-il déclaré. « Nous avons décidé de nous demander si la physique d’un système moléculaire pouvait faire de même, même s’il ne disposait d’aucun cerveau. »
L’opinion traditionnelle était que les cellules pourraient être capables de détecter et de réagir de cette manière en utilisant des circuits moléculaires qui ressemblent conceptuellement aux circuits électroniques de votre ordinateur portable ; certaines molécules détectent la quantité de sel et d’acide dans l’environnement, d’autres molécules décident quoi faire, et enfin les molécules « musculaires » peuvent accomplir une action en réponse, comme construire une structure de protection interne ou une pompe pour éliminer les molécules indésirables. .
Murugan et ses collègues voulaient explorer une idée alternative : toutes ces tâches (détection, prise de décision, réponse) pourraient être accomplies en une seule étape par la physique inhérente aux molécules « musculaires » qui construisent une structure.
Ils l’ont fait en travaillant avec le principe des « transitions de phases ». Pensez à un verre d’eau qui gèle lorsqu’il atteint 32F ; d’abord, un petit fragment de glace « nuclée », puis grandit jusqu’à ce que tout le verre d’eau soit gelé.
À première vue, ces premières étapes de l’acte de congélation – appelées « nucléation » en physique – ne ressemblent pas à une « réflexion ». Mais la nouvelle étude montre que l’acte de congélation peut « reconnaître » des combinaisons chimiques subtilement différentes – par exemple, l’odeur des biscuits à l’avoine et aux raisins par rapport aux pépites de chocolat – et construire différentes structures moléculaires en réponse.
Robustesse dans les expériences
Les scientifiques ont testé la robustesse de la prise de décision basée sur les « transitions de phase » en utilisant la nanotechnologie de l’ADN, un domaine qu’Erik Winfree (BS’91) a aidé à lancer. Ils ont montré qu’un mélange de molécules formerait l’une des trois structures en fonction des concentrations de molécules présentes dans le bécher.
« Dans chaque cas, les molécules se sont rassemblées pour construire différentes structures à l’échelle nanométrique en réponse à différents modèles chimiques, sauf que l’acte de construire la structure en lui-même a pris la décision sur ce qu’il fallait construire », a déclaré Winfree.
L’expérience a révélé que cette prise de décision basée sur les muscles était étonnamment robuste et évolutive. Avec des expériences relativement simples, les chercheurs ont pu résoudre des problèmes de reconnaissance de formes impliquant environ un millier de types de molécules, un problème presque 10 fois plus important que celui qui avait été résolu auparavant en utilisant d’autres approches séparant les composants « cérébraux » et « musculaires ».
Ce travail ouvre la voie à une nouvelle vision du calcul qui n’implique pas la conception de circuits, mais plutôt la conception de ce que les physiciens appellent un diagramme de phases. Par exemple, pour l’eau, un diagramme de phases peut décrire les conditions de température et de pression dans lesquelles l’eau liquide va geler ou bouillir, qui sont des propriétés matérielles semblables à celles d’un « muscle ». Mais ces travaux montrent que le diagramme de phases peut également coder la « pensée » en plus du « faire », lorsqu’il est étendu à des systèmes complexes comportant de nombreux types de composants différents.
« Les physiciens ont traditionnellement étudié des choses comme un verre d’eau, qui contient de nombreuses molécules, mais toutes sont identiques. Mais une cellule vivante est pleine de nombreux types différents de molécules qui interagissent les unes avec les autres de manière complexe », a déclaré le co-auteur. Jackson O’Brien (Ph.D.’21), qui a participé à l’étude en tant qu’étudiant diplômé en physique à l’Université de Chicago. « Cela se traduit par des capacités émergentes distinctes des systèmes multi-composants. »
La théorie de ce travail a établi des analogies mathématiques entre de tels systèmes multi-composants et la théorie des réseaux neuronaux ; les expériences ont montré comment ces systèmes à plusieurs composants peuvent apprendre les bonnes propriétés informatiques grâce à un processus physique, tout comme le cerveau apprend à associer différentes odeurs à différentes actions.
Alors que les expériences ici impliquaient des molécules d’ADN dans un tube à essai, les concepts sous-jacents – la nucléation dans des systèmes comportant de nombreux types de composants – s’appliquent largement à de nombreux autres systèmes moléculaires et physiques, ont indiqué les auteurs.
« L’ADN nous permet d’étudier expérimentalement des mélanges complexes de milliers de types de molécules et de comprendre systématiquement l’impact du nombre de types de molécules et des types d’interactions qu’elles ont, mais la théorie est générale et devrait s’appliquer à tout type de molécule. » a expliqué Winfree.
« Nous espérons que ces travaux stimuleront les travaux visant à découvrir les capacités de « pensée » cachées dans d’autres systèmes multi-composants qui semblent actuellement n’être que de simples « muscles » », a déclaré Murugan.
Plus d’information:
Constantine Glen Evans et al, Reconnaissance de formes dans la cinétique de nucléation de l’auto-assemblage hors équilibre, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-023-06890-z