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Stocker des quantités astronomiques de données

Des données stockées sur une molécule synthétique: une première mondiale !

Des chercheurs français du CNRS ont réussi à écrire une courte phrase sur un polymère 

Comment parvenir à stocker les quantités astronomiques de données numériques produites, toujours en plus grand nombre, par notre société ? Le tout en utilisant physiquement moins d’espace, de matière, mais aussi d’énergie, transition écologique oblige... Des chercheurs du monde entier planchent sur cette question cruciale. Leur source d’inspiration est - comme souvent - ce que la nature a fait de mieux dans le domaine, à savoir l’acide désoxyribonucléique, plus connu sous le nom d’ADN. Une macromolécule biologique composée de deux brins appelés polymères. En clair, de deux longues chaînes de petites molécules différentes accrochées les unes aux autres dans un ordre précis et qui permettent d’encoder ainsi toute l'information génétique nécessaire au développement et au fonctionnement d’un être vivant. Rien de moins !

Et la science de chercher à reproduire cet ADN de manière à pouvoir y inscrire les informations de son choix. C’est ainsi qu’en janvier 2013, Le Point.fr vous annonçait que des chercheurs étaient parvenus à encoder sur ADN l’équivalent d'environ 5 millions de bits de données. Seulement voilà, certains chercheurs pensent que l’ADN n’est pas forcément le polymère de toutes les situations et travaillent au moyen de stocker des informations sur d’autres polymères, synthétiques cette fois.

Parmi eux, une équipe de l’institut Charles-Sadron de Strasbourg (CNRS) et de l’institut de chimie radicalaire de l’université d’Aix-Marseille, dirigée par Jean-François Lutz, vient de parvenir à inscrire un court message, en code binaire (celui sur lequel est fondée toute l’informatique), sur un polymère entièrement synthétique. Un encodage de seulement quelques bits, mais qui constitue une première mondiale !

"Nous avons fait ça avec des polyamides, mais nous aurions très bien pu le faire avec des polyesters", explique Jean-François Lutz, spécialiste des macromolécules à l'institut Charles-Sadron. "L’apport principal de nos travaux réside dans la méthode que nous avons mise au point et qui permet d’agencer les monomères de manière précise pour créer un message", affirme-t-il. Car, lorsque des scientifiques fabriquent des polymères de toutes pièces, dans leur laboratoire, les monomères qui le composent ont la fâcheuse tendance à s’organiser de manière totalement aléatoire. Comme si vous cherchiez à monter un collier sans pouvoir déterminer l’ordre des perles. Des conditions dans lesquelles il est impossible de rechercher la moindre esthétique et, dans le cas de nos polymères, d’y glisser la moindre information.

Dans leur polymère, les chercheurs français ont réussi à encoder l’équivalent d’une phrase composée de quelques mots. Un message lisible de la même manière que ceux inscrits sur ADN, par séquençage, mais qui est aussi instantanément effaçable. "Car, si notre polymère est stable à température ambiante, il suffit de l’amener au-dessus de 60 degrés Celsius et, comme dans mission impossible, ce message s’autodétruira !" indique Jean-François Lutz. "Nous l’avons aussi conçu sur la base de trois monomères, l’un codant pour le 1, l’autre pour le 0 et le troisième constituant une sorte de maillon faible, de manière à avoir des liaisons qui se casseront facilement lors du séquençage (une technique de lecture qui, comme son nom l'indique, repose sur le découpage des molécules en séquences, NDLR) et rendront ainsi le message plus facile à lire", ajoute-t-il.

C’est là tout l’intérêt d’apprendre à écrire sur des polymères synthétiques, même si cette technique est pour l’instant moins avancée. Car, comme l’ADN a été optimisé par l’évolution pour une tâche bien précise, à savoir conserver l’information génétique des êtres vivants, les chimistes pourraient alors sélectionner le polymère à utiliser en fonction des caractéristiques utiles à telle ou telle application. Ultrarésistant pour surpasser le temps de conservation possible sur ADN ou, comme celui-ci, facile à détruire, pour transmettre des informations hautement confidentielles.

Consulter l'article scientifique paru cette semaine dans la revue spécialisée Nature communications 

Le robot sauteur

On dirait un athlète qui enchaîne les sauts d’obstacles. Pourtant c’est bien un robot qui bondit aussi efficacement sur cette vidéo publiée par des ingénieurs du MIT. Et pas n’importe lequel: Cheetah, une des machines sur pattes les plus rapides au monde, qui vient de réaliser un nouvel exploit: franchir des obstacles de façon autonome à une vitesse moyenne de 8 km/h.

Cela paraît simple. Mais pour parvenir à ce résultat, le robot doit détecter l’obstacle à l’avance, estimer sa hauteur et sa distance et intégrer la meilleure position à partir de laquelle sauter. Il lui reste alors à ajuster sa foulée pour s'élever juste à l’endroit de l’obstacle. Reste enfin à fournir suffisamment de force pour se soulever, puis gérer l’impact à l’atterrissage, avant de reprendre aussitôt son rythme initial.

Il a fallu expérimenter tout ce processus sur un tapis roulant. Cheetah a alors réussi à sauter par-dessus des planches de 45 centimètres de hauteur, soit la moitié de sa taille, tout en maintenant une vitesse de 8 km/h. Les tests se sont poursuivis ensuite sur une piste dans un gymnase. Dans ce cadre, Cheetah a réussi à passer 90% des obstacles.

Une prochaine démo lors de la compétition robotique de la Darpa

Malgré son nom -qui veut dire guépard- Cheetah ressemble à une grosse mule et est capable de courir à plus de 46 km/h, une légende du web dont les vidéos affolent les habitués de Youtube depuis des années. Il a été conçu pour la société de robotique Boston Dynamics, rachetée depuis par Google. Son développement avait été financé par la Darpa qui soutient également les travaux du MIT.

L’apport du MIT est d’avoir ajouté un système LIDAR qui utilise la lumière pour mesurer les distances et cartographier le terrain. A partir des données récoltées, un "algorithme de réglage d’approche "calcule la position idéale pour sauter et en déduit ensuite la vitesse de la foulée pour la distance restant à parcourir. C’est de cette manière que Cheetah peut fonctionner de façon autonome.

Les chercheurs présenteront leurs travaux lors de la compétition de robotique de la Darpa au mois de juin prochain.

Source: Le site du MIT

Optogénétique: éclairer les neurones pour retrouver la mémoire?

Des chercheurs américains sont parvenus à restaurer la mémoire de souris rendues amnésiques en activant certains groupes de neurones par émissions lumineuses.

Ajouter certaines protéines aux neurones permet à ces derniers d'être activés par émission de lumière. Ici, une représentation d'un synapse. ©SKU / Science Photo Library / AFPAjouter certaines protéines aux neurones permet à ces derniers d'être activés par émission de lumière. Ici, une représentation d'un synapse.

Qu'elles soient dues à un traumatisme crânien, un stress post-traumatique ou une maladie neurologique comme Alzheimer, les causes d'une amnésie implique des mécanismes encore largement débattus chez les neuro-scientifiques. En d'autres termes, pourquoi et comment perd-on la mémoire ? C'est à cette question controversée que des travaux surprenants sur la souris vont peut-être permettre de répondre. En effet, des chercheurs sont parvenus à réactiver la mémoire perdue de rongeurs grâce... à la lumière ! Une expérience qui apporte un nouvel éclairage sur le mécanisme biologique de l'amnésie et ouvre potentiellement la voie à des traitements, selon une étude publiée jeudi 27 mai 2015 dans la revue américaine Science. "Cette recherche fait avancer la compréhension sur la nature de l'amnésie, une question très controversée en neurosciences", estime Susumu Tonegawa, professeur au centre de recherche sur l'apprentissage et la mémoire du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et directeur du Riken Brain Science Institute au Japon, associé au MIT, qui a dirigé ces travaux.

La mémoire perdue d'un amnésique : disparue, ou inaccessible ?

Ces dernières années, le débat scientifique s'est articulé autour de cette question : l'amnésie résulte-t-elle de dommages infligés aux cellules cérébrales spécifiques ? Ou bien est-ce l'accès aux souvenirs qui est empêché par un réarrangement consécutif à un choc ou une pathologie ? "La majorité des scientifiques privilégient la théorie de la destruction du stockage de l'information, mais cette recherche montre que cela est probablement erroné, juge le professeur Tonegawa, lauréat du Nobel de Médecine en 1987. L'amnésie est un problème de récupération de la mémoire", tranche-t-il.

Les chercheurs supputaient l'existence dans le cerveau d'un réseau de neurones qui, activés pendant la formation d'un souvenir, entraînent des changements physiques ou chimiques appelés engrammes. Si ces groupes de neurones - appelés engrammes par extension - sont ensuite réactivés par une image, une odeur ou une saveur, toute la mémoire enregistrée devrait revenir. Pour démontrer l'existence de ces groupes de neurones engrammes, les scientifiques ont utilisé l'optogénétique chez des souris : technique consistant à ajouter des protéines aux neurones pour leur permettre d'être activés par la lumière.

Le souvenir de la décharge électrique effacé... puis réactivé

Si on n'a pas encore la preuve de l'existence des neurones engrammes, leur fonctionnement supposé a été imaginé par les spécialistes. Ils supposent que ces neurones subissent des modifications chimiques selon un processus appelé "la consolidation de la mémoire". Un des changements clé consiste au renforcement des synapses, ces structures qui permettent à des groupes de neurones de se transmettre des messages. Pour éprouver ce fonctionnement théorique, les chercheurs du MIT ont tenté de voir ce qui se passerait si cette consolidation des synapses ne se produisait pas. Ainsi, ils ont administré à des souris une substance chimique, l'anisomycine, qui bloque la synthèse de protéines dans les neurones immédiatement après la formation d'un nouveau souvenir, empêchant cette consolidation.

EXPÉRIENCE. Concrètement, un premier groupe de rongeurs avait été placé dans une cage dite "A" où il avait reçu une décharge électrique dans les pattes. Placées ultérieurement dans cette même cage, les souris non traitées ont aussitôt montré leur frayeur indiquant qu'elles se souvenaient de cette expérience traumatisante. En revanche, les autres, auxquelles ont avait administré de l'anisomycine, empêchant la consolidation de la mémoire, étaient de toute évidence sans souvenir et sont restées sans réaction. Par la suite, les chercheurs ont réactivé le processus de consolidation des synapses par des impulsions lumineuses chez ces souris amnésiques, lesquelles ont alors recouvré totalement la mémoire de la décharge électrique. Et même placées dans une autre cage, elles étaient paralysées de peur.

Cette recherche a donc permis de dissocier les mécanismes de stockage de la mémoire de ceux permettant de la former et de la récupérer, souligne Thomas Ryan, un chercheur du MIT, coauteur de cette recherche. Pour le professeur Tonegawa cela montre que dans certaines formes d'amnésie la mémoire du passé n'a peut-être pas été effacée, mais est simplement "inaccessible". Selon lui, "ces travaux fournissent un éclairage surprenant sur la nature de la mémoire et vont stimuler de futures recherches sur la biologie de la mémoire et de sa restauration clinique".

 

Un invention étonnante mais.... très intelligente!

Des smartphones pour combattre l’onchocercose et le loa !

Des chercheurs de Berkeley ont mis au point une méthode de détection de parasites potentiellement mortels à l’aide de smartphones et d’éléments imprimés en 3D.

Chaque semaine ou presque, une nouvelle utilisation du smartphone est imaginée ou fait déjà l’objet d’une exploitation commerciale et c’est souvent au sein d’une université que les projets se concrétisent. Il faut en effet des équipes pluridisciplinaires pour faire aboutir un projet exploitant l’optique d’un smartphone qui si elle semble rudimentaire est en réalité d’une redoutable performance avec des logiciels d’analyse vidéo sophistiqués. Plutôt que de se contenter de capturer des milliers de selfies on peut exploiter l’optique d’un smartphone dans un but inattendu comme le diagnostic de parasitoses qui sont endémiques dans les pays sub-tropicaux et équatoriaux. C’est ce type de projet qui a été concrétisé au département de Bioengineering de l’Université de Californie à Berkeley avec la collaboration de la Faculté de Médecine de Yaoundé au Cameroun et l’IRD à Montpellier.

L’optique du smartphone est utilisée pour identifier et quantifier les parasites contenus dans une goutte de sang prélevée au bout d’un doigt et transférée dans un capillaire. Le smartphone réalise un film rapide et une application spécialement développée dans ce but permet de reconnaître le type de parasite et d’effectuer un comptage. Plus besoin de microscope ou de loupe binoculaire fragiles et coûteux. Le smartphone est logé sur un boitier fabriqué par impression 3D contenant l’ensemble des éléments essentiellement mécaniques commandés par le smartphone en Bluetooth. Il n’est plus nécessaire de procéder à des marquages fluorescents des parasites pour les reconnaître ni de préparer des lames qu’il faut colorer, ce qui prend beaucoup de temps et les différentes étapes de manipulation d’un échantillon accroissent les possibilités d’erreurs. Le smartphone réalise un film des parasites en mouvement dans le capillaire contenant le sang fraîchement prélevé, et, par analyse des mouvements et comptage, rend le résultat en quelques secondes. Se déplacer en brousse auprès de populations souffrant de parasitoses de manière endémique avec ce boitier à peine plus grand qu’un paquet de cigarettes permettra ainsi de dépister la présence de loa, filaire responsable de prurits, d’éléphantiasis et de problèmes visuels quand il prend à ce nématode qui peut atteindre quelques centimètres de long l’idée d’aller visiter la conjonctive. Le vecteur de ce nématode est une mouche suceuse de sang, la chrysops.

Le « périphérique » de smartphone mis au point à l’U.C. Berkeley est également adapté à la détection d’un autre nématode responsable de l’onchocercose, une parasitose beaucoup plus redoutable car elle est responsable d’un grand nombre de cécités irréversibles, la cécité des rivières. Le parasite est également transmis par une mouche suceuse de sang au nom charmant de simulie. De plus l’onchocercose est extrêmement débilitante pour l’état de santé général car le ver, à sa mort, libère des antigènes induisant de très fortes réactions immunitaires pouvant éventuellement conduire à la mort. Au cours du cycle de reproduction on retrouve des micro-filaires dans le sang et l’invention de l’UC Berkeley est donc adaptée pour différencier, dans les zones infestées, la présence de Loa ou d’Onchocerca volvulus. Les praticiens locaux peuvent alors décider du traitement à administrer aux malades. Un seul produit est réellement efficace pour ces parasitoses qui affectent des dizaines de millions de personnes en Afrique et en Amérique Centrale, l’ivermectine. Elle est distribuée gratuitement par les Laboratoires Merck dans les pays où les filarioses sont endémiques. Mais il y a un gros problème : ce produit est indirectement toxique pour le cerveau. Les campagnes massives de traitement des personnes parasitées doivent impérativement débuter par une identification précise de la présence de l’un ou l’autre ou des ceux nématodes. En effet, si on traite un malade atteint d’onchocercose avec de l’ivermectine et que celui-ci est également infecté par le loa, une forte densité de ce ver dans le sang peut, lors de sa destruction massive par l’ivermectine, provoquer des atteintes cérébrales graves, ce ver libérant également des toxines provoquant une encéphalopathie souvent mortelle. Comme le loa infeste plus d’une douzaine de millions de personnes en Afrique et que ces mêmes individus sont susceptibles d’être également parasités par l’onchocerca, ce « détail » a freiné l’éradication de ces nématodes à l’aide d’ivermectine.

On peut donc se féliciter de l’ingéniosité de ces universitaires et de leurs étudiants qui a abouti à cet outil de dépistage peu coûteux qui va permettre de mettre enfin en place une campagne d’éradication car l’homme est le seul réservoir naturel de ces parasites.

http://newscenter.berkeley.edu/2015/05/06/video-cellscope-automates-detection-of-parasites/

http://cellscope.berkeley.edu