Les engins créateurs

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1 K. Eric Drexler Les engins créateurs Traduit de l anglais par Marc Macé Préface de Marvin Minsky

2 Préface "Les engins créateurs" d'eric Drexler est un ouvrage extrêmement original sur les conséquences des nouvelles technologies. Ambitieux et inventif, il est surtout techniquement irréprochable. Mais comment peut-on prédire où la science et la technologie vont nous mener? Bien que de nombreux scientifiques et technologues s'y soient essayés, il est curieux de constater que les tentatives les plus fructueuses furent celles d'auteurs de science-fiction comme Jules Verne, H. G. Wells, Frederik Pohl, Robert Heinlein, Isaac Asimov ou Arthur C. Clarke. Il faut reconnaître que la plupart de ces écrivains avaient une connaissance très approfondie de la science de leur époque. Mais il est probable que la source de leurs succès vint aussi de leur intérêt pour les influences et les choix dont ils imaginaient l émergence dans leurs sociétés. Comme Clarke l'a lui-même souligné, il est pratiquement impossible de prédire avec un demi-siècle d'avance les futures technologies. De même, pour une technologie donnée, il est également impossible de prévoir quelles alternatives se révéleront exploitables. Pourquoi? Tout simplement parce que s'il était possible de voir clairement ce qui va se produire aussi loin dans le temps, il serait sûrement possible d'y parvenir dans un délai plus court en se dotant de la volonté de le faire. Un autre problème très difficile concerne la prédiction des évolutions sociales. Etant donné toutes ces incertitudes, prévoir l'avenir revient à construire une tour très grande et très étroite. Et nous savons tous que ces édifices sont fragiles par nature. Comment peut-on construire plus solidement? Tout d'abord, les fondations doivent être fermes : Drexler a bâti ses idées en prenant appui sur les connaissances techniques les mieux établies. Ensuite, on doit s'assurer que chaque conclusion intermédiaire est étayée par plusieurs arguments avant de passer à l'étape suivante, ceci parce qu'aucune explication n'est assez robuste pour résister seule face à tant d'incertitudes. En conséquence, Drexler donne de multiples arguments pour soutenir chacune de ses affirmations. Enfin, il est risqué de s'appuyer uniquement sur son propre jugement étant donné que nous avons tous des espoirs et des peurs qui influencent nos pensées - même inconsciemment. Mais à la différence de la plupart des iconoclastes, Drexler expose depuis de nombreuses années de manière très courageuse et très ouverte ses idées, tant aux conservateurs les plus sceptiques qu'aux technophiles les plus rêveurs (issus de communautés scientifiques très sérieuses, comme celle du MIT a ). Il a toujours écouté ses interlocuteurs attentivement et changé parfois son point de vue en conséquence. Les engins créateurs commence par l'observation suivante : ce que nous sommes capables de faire dépend de ce que nous sommes en mesure de construire. Ceci nous mène à une analyse rigoureuse des différentes manières d'empiler les atomes avec précision. Puis, Drexler se demande : "Que peut-on construire avec ces dispositifs d'assemblage des atomes?" D'abord, on peut fabriquer des machines à assembler plus petites encore que des cellules vivantes, ainsi que des matériaux plus solides et légers que tout ce qui se fait actuellement (donc, de meilleurs vaisseaux spatiaux). On peut également produire de petits engins qui peuvent voyager dans les capillaires pour aller réparer les cellules, donc soigner les maladies, inverser les dégâts provoqués par le temps ou encore rendre notre corps plus rapide et plus solide. On pourrait fabriquer des machines ayant la taille de virus et fonctionnant à une a [NDT] : Massachusetts Institute of Technology : célèbre université américaine à Boston 1

3 vitesse inimaginable. Et lorsque nous saurons faire ces machines, nous aurons alors la possibilité de les assembler par billions pour former des systèmes intelligents capables de traiter en parallèle des informations pour les décrire, les comparer à des modèles enregistrés et tirer parti des essais antérieurs. Ainsi ces nouvelles technologies ne changeront pas uniquement les matériaux et la manière de les utiliser mais aussi les activités que nous serons alors capables de mener, quel que soit le monde que nous construirons. Si l'on en revient à la remarque d'arthur C. Clarke à propos des difficultés qu'il y a à prédire l'apparition d'une technologie cinquante ans à l'avance, nous constatons que le sujet dont traite Drexler rend ce point de vue presque discutable. Dès que le contrôle atomique de la matière sera apparu, alors "seulement un demi-siècle" pourra apporter plus de changements que tous ceux qui ont eu cours depuis les temps médiévaux. Il me semble que, contrairement à tout ce que nous entendons à propos des révolutions technologiques modernes, celles-ci n'ont guère apporté de changements dans nos vies durant ces cinquante dernières années. Est-ce que la télévision a véritablement changé notre monde? Sûrement moins que la radio ne le fit et encore moins que le téléphone. Qu'en est-il des avions? Ils ont simplement réduit les durées de voyages de quelques jours à quelques heures, alors que le train et l'automobile avaient déjà opéré un changement d'une plus grande ampleur en réduisant ces trajets de semaines en jours! Mais Les engins créateurs préfigure une véritable révolution. Les nanotechnologies pourraient bouleverser notre existence de manière encore plus grande que les deux fantastiques inventions qui ont eu lieu dans ce domaine : le remplacement des bâtons et des pierres par du métal et du ciment, puis la domestication de l'électricité. De la même manière, on peut comparer les conséquences possibles de l'intelligence artificielle sur la manière dont nous pensons avec seulement deux inventions antérieures : le langage et l'écriture. Nous aurons bientôt à faire face à certaines de ces perspectives. Comment doit-on s'y préparer pour les maîtriser? Les engins créateurs explique comment ces nouvelles alternatives pourront être orientées vers nos préoccupations humaines les plus vitales : la richesse et la pauvreté, la santé et la maladie, la paix et la guerre. Drexler ne nous fournit pas uniquement un inventaire de possibilités mais une multitude d'idées et de propositions pour commencer à les évaluer. Les engins créateurs est jusqu'à présent le meilleur ouvrage qui soit paru dans le but de nous faire réfléchir à ce que nous allons devenir, en supposant que l'on continue à inventer de nouvelles technologies. Marvin Minsky Professeur d'université en sciences Massachusetts Institute of Technology 2

4 Remerciements Les idées développées dans ce livre ont été façonnées par de nombreux esprits. Tout auteur a une dette incalculable envers les précédents écrivains et penseurs et la section "Notes et Références" est une reconnaissance partielle de ma dette personnelle. Mais certaines personnes ont eu une influence plus directe sur la genèse de ce livre en parcourant ou critiquant une partie ou la totalité des nombreuses publications, articles et premières versions de ce livre. Leurs contributions vont de brèves lettres à des critiques très complètes et très détaillées, en passant par des suggestions et des relectures. La majeure partie des évolutions du manuscrit vers sa forme et son contenu actuel leur revient. Les erreurs qui pourraient cependant subsister relèveraient de ma seule responsabilité. En conséquence, je voudrais remercier Dale Amon, David Anderson, Alice Barkan, James Bennett, David Blackwell, Kenneth Boulding, Joe Boyle, Stephen Bridge, James Cataldo, Fred et Linda Chamberlain, Hugh Daniel, Douglas Denholm, Peter Diamandis, Thomas Donaldson, Allan Drexler, Hazel Drexler, Arthur Dula, Freeman Dyson, Erika Erdmann, Robert Ettinger, Mike Federowicz Carl Feynman, David Forrest, Christopher Fry, Andy, Donna, Mark et Scott Gassmann, Hazel et Ralph Gassmann, Agnes Gregory, Roger Gregory, David Hannah, Keith Henson, Eric Hill, Hugh Hixon, Miriam Hopkins, Joe Hopkins, Barbara Marx Hubbard, Scott A. Jones, Arthur Kantrowitz, Manfred Karnovsky, Pamela Keller, Tom et Mara Lansing, Jerome Lettvin, Elaine Lewis, David Lindbergh, Spencer Love, Robert et Susan Lovell, Steve Lubar, Arel Lucas, John Mann, Jeff MacGillivray, Bruce Mackenzie, Marvin Minsky, Chip Morningstar, Philip Morrison, Kevin Nelson, Hugh O'Neill, Gayle Pergamit, Gordon et Mary Peterson, Norma et Amy Peterson, Naomi Reynolds, Carol Rosin, Phil Salin, Conrad Schneiker, Alice Dawn Schuster, Rosemary Simpson, Leif Smith, Ray Sperber, David Sykes, Paul Trachtman, Kevin Ulmer, Patricia Wagner, Christopher Walsh, Steve Witham, David Woodcock et Elisa Wynn. Etant donné que cette liste a été constituée à partir de fichiers incomplets et de monceaux de petites notes manuscrites, je présente des excuses à ceux que j'aurais pu oublier. Je dois des remerciements aux membres de nombreux auditoires, du MIT et d'ailleurs, pour les questions posées qui m'ont permis de mieux affiner certaines idées et leur présentation. Pour leur aide et leurs encouragements, je voudrais remercier mon agent d'édition, Norman Kurz et mes éditeurs, James Raimes, Dave Barbor et Patrick Filley. Finalement, pour une contribution d'une qualité particulière et d'une grande ampleur tout au long de ce travail, je voudrais remercier Mark S. Miller et, plus que tout autre, Christine Peterson. Sans leur aide, ce livre n'aurait jamais vu le jour. 3

5 Table des matières Page Préface 1 Remerciements 3 Première partie : les bases de la prédiction 5 Les engins constructeurs 6 Les principes du changement 21 Prédictions et projections 35 Deuxième partie : les scénarios du possible 44 Les engins d'abondance 45 Machines pensantes 53 Le monde au-delà de la Terre 68 Les engins de guérison 81 Longue vie dans un monde ouvert 95 Une porte sur le futur 105 Les limites de la croissance 118 Troisième partie : dangers et espoirs 135 Les engins de destruction 136 Stratégies et survie 152 Analyser les faits 161 Le réseau du savoir 172 Beaucoup de mondes et de temps 179 Postface, Postface, Glossaire 189 Notes et références 194 4

6 Première partie Les bases de la prédiction 5

7 Les engins constructeurs 1 Les engins constructeurs 1 a L'ingénierie protéique [ ] représente 2 le premier grand pas vers une capacité plus générale d'ingénierie moléculaire qui nous permettra de structurer la matière atome par atome. Kevin Ulmer Directeur des recherches Genex Corporation Charbon et diamant, sable et microprocesseur, cancer et tissu sain : à travers l'histoire, les différents arrangements des atomes ont fait la différence entre ce qui est bon marché et ce qui est précieux, entre maladie et bonne santé. Assemblés d'une manière, les atomes forment le sol, l'air et l'eau ; assemblés d'une autre, ils donnent des fraises mûres. Assemblés d'une façon, ils constituent nos maisons et l'air pur, assemblés d'une autre, ils sont cendres et fumées. Notre technologie trouve ses fondations dans sa faculté à arranger les atomes. Nous sommes allés très loin dans ce domaine : de la confection des pointes de flèches en silex à la fabrication d'aluminium pour construire des vaisseaux spatiaux. Nous sommes fiers de notre technologie, avec nos médicaments qui sauvent des vies et nos ordinateurs de bureau. Cependant, nos fusées sont encore rudimentaires et nos ordinateurs stupides, et les molécules de nos tissus continuent à se désorganiser avec l'âge, dégradant d'abord notre santé, puis empêchant notre vie elle-même. Malgré toutes nos avancées dans la manière de placer les atomes, nous utilisons encore des méthodes primitives. Avec notre technologie actuelle, nous sommes encore contraints de manipuler les atomes par amas informes. Mais les lois de la nature laissent encore beaucoup de place au progrès et la pression économique mondiale nous pousse en avant. Pour le meilleur ou pour le pire, les plus fantastiques percées technologiques sont encore à venir. Deux styles de technologie Notre technologie moderne est fondée sur une tradition ancienne. Il y a ans, la taille du silex était de la haute technologie. Nos ancêtres empoignaient des pierres contenant des billions de billions d'atomes et en enlevaient des éclats contenant des milliards de billions d'atomes pour tailler leurs haches de pierre. Ils effectuaient un travail précis nécessitant une habilité difficile à imiter aujourd'hui. Ils ont aussi peint des fresques sur les murs de grottes en France, en utilisant leurs mains comme des pochoirs sur lesquelles ils soufflaient des poudres colorées. Plus tard, ils ont fabriqué des pots en cuisant de l'argile, puis du bronze en chauffant des roches. Ils façonnèrent le bronze, puis le fer, puis l'acier en les chauffant, les battant et en leur enlevant des copeaux. Nous fabriquons maintenant des céramiques très pures et des aciers plus solides mais nous continuons à les mettre en forme en utilisant les mêmes techniques. Nous fabriquons du silicium pur, le coupons en tranches et dessinons des motifs à leurs surfaces en utilisant de fins patrons et des pinceaux a Les passages en gras et affectés d'un numéro sont annotés à la fin de l'ouvrage 6

8 Les engins constructeurs de lumière. Nous appelons ces objets des "puces" et nous les considérons comme très élaborés, du moins comparés à des haches de pierre. Notre technologie micro-électronique a été capable de faire tenir sur quelques puces contenues dans des ordinateurs de poche toute la puissance délivrée par les ordinateurs de la fin des années 50 qui occupaient des pièces entières. Les ingénieurs fabriquent maintenant des composants plus petits encore, en plaçant des monceaux d'atomes à la surface d'un cristal pour faire des fils électriques et divers composants d'une taille inférieure au dixième du diamètre d'un cheveu. Ces microcircuits sont peut-être petits pour les standards des tailleurs de pierre mais chaque transistor contient encore des billions d'atomes et les soi-disant "micro-ordinateurs" sont encore visibles à l'œil nu. Pour les standards d'une technologie nouvelle et plus puissante, ils paraîtront gargantuesques. Le type de technologie qui nous a mené de la hache de pierre aux puces en silicium manipule les atomes en vrac. Appelons-la technologie grossière. La nouvelle technologie manipulera les atomes et les molécules individuellement en les contrôlant avec précision ; appelons-la technologie moléculaire. Elle va changer le monde bien plus que nous ne pouvons l'imaginer. Les microcircuits se mesurent en micromètres (c'est-à-dire, en millionièmes de mètre) mais les molécules se mesurent en nanomètres, soit un millier de fois plus petit. On peut utiliser indifféremment les termes "nanotechnologie" et "technologie moléculaire" pour définir ce nouveau type de technologie. Les ingénieurs en nanotechnologies construiront à la fois des nanocircuits et des nanomachines. Technologie moléculaire d'aujourd'hui Un dictionnaire 3 définit la machine en ces termes : "tout système, généralement constitué de parties rigides, assemblées pour modifier, transmettre et diriger des forces appliquées d'une manière déterminée pour accomplir un objectif spécifique, comme la réalisation d'un travail utile". Les machines moléculaires répondent parfaitement à cette définition. Pour imaginer ces machines, on doit d'abord imaginer les molécules. On peut se représenter les atomes comme des perles et les molécules comme des assemblages de perles. D'ailleurs, les chimistes modélisent parfois les molécules en utilisant des boules de plastique (certaines peuvent se lier dans plusieurs directions, comme les pièces d'un mécano). Les atomes sont arrondis comme des perles et bien que les liaisons dans les molécules ne soient pas des bouton-pression, cette représentation a l'avantage de faire ressortir la notion essentielle que les liaisons peuvent être cassées et reformées. Si un atome avait la taille d'une petite bille, une assez grosse molécule aurait la taille de votre poing. Cela donne une image utile mais les atomes ont en fait une taille fois inférieure à celle d'une bactérie et les bactéries sont déjà fois plus petites que les moustiques. (Un noyau atomique, toutefois, est fois plus petit qu'un atome lui-même ; la différence entre un atome et son noyau est du même ordre que celle entre une réaction chimique et une réaction nucléaire). Les choses autour de nous réagissent comme elles le font du fait du comportement des molécules. L'air ne garde ni sa forme ni son volume parce que ses molécules se déplacent librement, rebondissant et ricochant à travers l'espace. Les molécules d'eau s'attirent entre elles alors qu'elles sont en mouvement, c'est pourquoi l'eau a un volume constant mais peut changer de forme. Le cuivre garde sa 7

9 Les engins constructeurs forme parce que les atomes qui le constituent sont reliés entre eux en motifs spatiaux réguliers ; on peut le tordre et le marteler parce que ses atomes peuvent glisser les uns sur les autres en conservant leurs liaisons. Le verre se brise quand on le frappe, parce que ses atomes se séparent sans pouvoir glisser. Le caoutchouc est constitué de réseaux de molécules pliées, comme un enchevêtrement de ressorts. Quand on l'étire et qu'on le relâche, les molécules se redressent, puis s'enroulent à nouveau. Ces motifs moléculaires simples constituent des substances passives. Des schémas plus complexes sont à l'origine des nanomachines biologiques dans les cellules vivantes. Les biochimistes travaillent déjà avec ces machines, qui sont surtout faites de protéines, le principal matériel d'ingénierie des cellules vivantes. Ces machines moléculaires ont relativement peu d'atomes ; elles ont donc des surfaces granuleuses, comme des objets constitués de petites billes collées ensemble. En outre, beaucoup de paires d'atomes sont assemblées par des liaisons qui peuvent se courber ou tourne : les machines protéiques sont donc exceptionnellement flexibles. Comme toutes les machines, elles ont des pièces de différentes formes et différentes tailles qui remplissent des tâches utiles. Toutes les machines utilisent des atomes pour constituer leurs pièces ; simplement les machines protéiques en utilisent moins. Les biochimistes rêvent de concevoir et fabriquer de telles machines mais il reste auparavant des difficultés à surmonter. Les ingénieurs utilisent des faisceaux lumineux pour graver des motifs à la surface des puces mais les chimistes doivent construire d'une manière beaucoup plus indirecte. Lorsqu'ils assemblent des molécules en différentes séquences, ils n'ont qu'un contrôle limité de ce processus. Quand les biochimistes ont besoin de machines moléculaires complexes, ils sont encore obligés de les emprunter aux cellules. Cependant, des machines moléculaires avancées leur permettraient de construire des nanocircuits et des nanomachines aussi facilement et directement que les ingénieurs construisent actuellement des microcircuits ou des machines à laver : le progrès deviendrait rapide et spectaculaire. Les ingénieurs en génétique montrent déjà la voie. D'habitude, quand les chimistes fabriquent des chaînes moléculaires (appelées polymères), ils déposent des molécules en solution dans un récipient pour qu'elles se cognent et réagissent entre elles de manière aléatoire. Les chaînes ainsi formées ont des longueurs variables et les molécules sont assemblées entre elles sans ordre particulier. Grâce aux machines modernes 4 qui synthétisent des gènes, les ingénieurs en génétique construisent des polymères plus ordonnés (des molécules d'adn spécifiques) en combinant des molécules dans un ordre particulier. Ces molécules sont les nucléotides de l'adn (les lettres de l'alphabet génétique, également appelées bases) et les ingénieurs en génétique ne les placent pas toutes en même temps. Au lieu de cela, ils programment la machine pour qu'elle ajoute les différents nucléotides dans un ordre particulier, afin de composer un message précis. Ils établissent d'abord une liaison entre un nucléotide précis et la fin de la chaîne en construction, puis ils évacuent le surplus de nucléotide et ajoutent des produits chimiques pour préparer le bout de la chaîne à recevoir la base suivante. Ils allongent la chaîne en accrochant des nucléotides, un par un, en une séquence programmée. Ils attachent le tout premier nucléotide à une surface solide afin de conserver la chaîne lors des rinçages. Ainsi, ils possèdent une grosse machine maladroite qui assemble des structures moléculaires précises à partir de pièces cent millions de fois plus petites qu'elle-même. Mais ce processus de fabrication aveugle omet parfois des nucléotides dans quelques chaînes. Et la probabilité d'erreur dans une chaîne croît avec la taille de celle-ci. Comme des ouvriers qui jettent les 8

10 Les engins constructeurs mauvaises pièces avant d'assembler une voiture, les ingénieurs en génétique réduisent les erreurs en se débarrassant des mauvaises chaînes. Ensuite, pour assembler ces courtes chaînes triées en des gènes fonctionnels (typiquement de plusieurs milliers de nucléotides de long), ils ont recours à des machines moléculaires que l'on trouve dans les bactéries. Ces machines protéiques, appelées enzymes de restriction, "lisent" certaines séquences d'adn comme des "couper ici". Elles lisent ces motifs génétiques par le toucher, en se collant à eux et elles coupent ces chaînes en réarrangeant quelques atomes. D'autres enzymes raccordent des pièces ensemble, en lisant les parties à assembler comme des "coller ici" (en "lisant" de même les chaînes par des contacts physiques et les collant en réarrangeant quelques atomes). Les ingénieurs en génétique sont ainsi capables, grâce à des machines qui synthétisent des gènes et à des enzymes qui les coupent et les collent, de fabriquer ou de modifier n'importe quel message d'adn. Mais l'adn est une molécule inutile en elle-même. Elle n'est ni solide comme le Kevlar ni colorée comme une teinture ni active comme une enzyme et cependant, elle possède quelque chose pour laquelle l'industrie est prête à investir des millions de dollars : sa capacité à diriger des machines moléculaires appelées ribosomes. Dans les cellules, des machines moléculaires transcrivent d'abord l'adn, copiant l'information qu'il contient dans des "cassettes" d'arn. Puis, un peu à la manière des premières machines à commande numérique travaillant le métal à partir d'instructions contenues dans des bandes magnétiques, les ribosomes fabriquent les protéines à partir des instructions contenues dans les brins d'arn. Et les protéines sont utiles. Les protéines, comme l'adn, ressemblent à des colliers de perles inégales. Mais à la différence de l'adn, les protéines se replient pour former de petits objets qui possèdent des fonctions précises. Certaines sont des enzymes, des machines qui peuvent construire et détruire des molécules (et copier l'adn, le transcrire et fabriquer d'autres protéines qui interviennent dans le cycle de la vie). D'autres sont des hormones, qui se fixent à d'autres protéines pour indiquer aux cellules qu'elles doivent modifier leur comportement. Les ingénieurs en génétique peuvent facilement faire produire ces objets par les machines moléculaires efficaces et bon marché que l'on trouve dans les organismes vivants, alors que les ingénieurs responsables d'une usine chimique doivent travailler avec des cuves de réactifs (dans lesquelles les atomes s'arrangent souvent mal et forment des sous-produits nocifs). Les ingénieurs qui travaillent avec des bactéries peuvent leur faire absorber des produits chimiques, dont elles réarrangent avec précaution les atomes, puis stockent le produit synthétisé ou le libèrent dans le milieu environnant. Les ingénieurs en génétique ont maintenant des bactéries programmées, capables de fabriquer des protéines allant de l'hormone de croissance humaine à la présure, une enzyme utilisée pour faire des fromages. L'entreprise pharmaceutique Eli Lilly (Indianapolis) vend actuellement sous le nom d'humulin des molécules d'insuline humaine fabriquées par des bactéries. Machines protéiques existantes Ces hormones protéiques et ces enzymes s'accrochent sélectivement à d'autres molécules. Une enzyme modifie la structure de sa cible, puis s'en détache ; une hormone modifie le comportement de sa cible uniquement quand elles sont liées ensemble. Les hormones et les enzymes peuvent être décrites en termes mécaniques bien que leur comportement soit le plus souvent de nature chimique. 9

11 Les engins constructeurs Cependant, d'autres protéines ont un rôle purement mécanique 5. Certaines poussent et tirent, d'autres agissent comme des cordes ou des supports et les parties de quelques molécules constituent d'excellents roulements. La machinerie du muscle, par exemple, est faite de grappes de protéines qui attrapent une "corde" (également faite de protéines), la tirent, puis l'attrapent un peu plus loin. A chaque fois que vous bougez, vous utilisez ces machines. Les amibes comme les cellules humaines bougent et changent de forme en utilisant des fibres et des barres qui agissent comme des muscles moléculaires et des os. Un moteur réversible, à vitesse variable, propulse les bactéries dans l'eau en faisant tourner une hélice en forme de tire-bouchon. Si on pouvait construire des voitures miniatures autour de tels moteurs, plusieurs milliards de milliards tiendraient dans une poche et une autoroute de 150 voies pourrait être construite dans vos capillaires les plus fins. Des appareils moléculaires simples se combinent pour former des systèmes qui ressemblent à des machines industrielles. Dans les années 50, les ingénieurs ont réalisé des machines-outils qui découpaient le métal sous le contrôle d'une bande de papier perforé. Un siècle et demi auparavant, Joseph-Marie Jacquard avait construit un métier à tisser qui exécutait des motifs complexes sous le contrôle d'une chaîne de cartes perforées. Cependant, plus de trois milliards d'années avant Jacquard, les cellules avaient développé la machinerie du ribosome. Les ribosomes sont la preuve que les nanomachines construites à partir de protéines et d'arn peuvent être programmées pour construire des molécules complexes. Regardons maintenant les virus. L'un d'entre eux, le phage T4, se comporte comme une seringue motorisée digne de figurer dans un catalogue industriel. Il s'accroche à une bactérie, perce un trou et y injecte son ADN viral (et oui, même les bactéries souffrent d'infections!). Comme un conquérant qui agrandit les usines pour construire plus de chars d'assaut, cet ADN viral redirige la production de la machinerie cellulaire pour construire de multiples copies de lui-même et des seringues en conséquence. Comme tous les organismes, les virus existent parce qu'ils sont assez stables et très efficaces pour se recopier. Qu'elles soient dans les cellules ou non, les nanomachines obéissent aux lois universelles de la nature. Des liaisons chimiques ordinaires maintiennent leurs atomes ensemble et des réactions chimiques ordinaires (orientées par d'autres nanomachines) les assemblent. Les protéines peuvent même se lier entre elles pour former des machines sous la seule action de l'agitation thermique et des interactions électrostatiques. En mélangeant des protéines virales (et l'adn qu'elles encapsulent) dans un tube à essai, les biologistes moléculaires ont assemblé des phages T4 fonctionnels. Cette faculté est surprenante : imaginez que vous mettiez toutes les pièces d'une auto dans une grosse boîte et qu'après l'avoir agitée, vous en ressortiez une voiture parfaitement assemblée! Et les virus T4 ne sont qu'un des nombreux exemples de structures douées d'auto-assemblage 6. Les biologistes moléculaires ont réussi à ré-obtenir en tube à essai des ribosomes fonctionnels après en avoir séparé la cinquantaine de protéines et de fragments d'arn qui les composent. Pour comprendre comment un tel processus peut avoir lieu, imaginez plusieurs chaînes protéiques de T4 flottant dans un liquide. Chaque chaîne se replie pour donner une structure en creux et bosses, avec pour chacune un motif particulier de charges électriques et de zones hydrophiles et hydrophobes. Imaginez-les maintenant en train d'errer, bousculées par les vibrations thermiques des molécules d'eau environnantes. De temps en temps, deux d'entre elles vont s'entrechoquer et rebondir. Parfois, cependant, deux protéines virales vont se rencontrer et rester assemblées, parce que leurs reliefs vont 10

12 Les engins constructeurs correspondre, tout comme leurs différents motifs. De cette façon, des parties de virus s'assemblent, puis ces parties elles-mêmes se combinent pour donner un virus entier. Les ingénieurs en protéines n'auront pas besoin de "nanobras" et de "nanomains" pour assembler des nanomachines complexes. Mais de petits manipulateurs seront utiles et ils seront construits. A l'instar des ingénieurs qui construisent aujourd'hui des machines aussi complexes que des robots joueurs de piano ou des bras articulés à partir de moteurs, roulements et pièces mobiles ordinaires, les biochimistes de demain seront à même d'utiliser les protéines comme des moteurs, des roulements et des parties mobiles pour construire des bras robots qui seront eux-mêmes capables de manipuler individuellement les molécules. Concevoir des protéines 7 Sommes-nous encore loin d'accéder à cette capacité? Quelques avancées ont eu lieu mais le plus gros du travail reste à faire. Les biochimistes ont déjà cartographié la structure spatiale de nombreuses protéines. Et avec des machines qui synthétisent des gènes pour les aider à écrire des "cassettes" d'adn, ils peuvent faire fabriquer à des cellules toutes les protéines imaginables 8. Mais ils ne savent pas encore concevoir des chaînes protéiques qui se replieront pour donner la bonne forme et la bonne fonction. Les forces qui font se replier les protéines sont faibles et les différentes possibilités qu'a une protéine pour se replier sont extrêmement nombreuses. C'est pourquoi concevoir entièrement une grosse molécule en partant de rien est difficile. Les forces qui sont à l'origine des repliements des chaînes protéiques sont également celles qui maintiennent les protéines ensemble pour former des machines complexes. Les différentes formes des acides aminés (les perles moléculaires qui forment la chaîne protéique) et les différents types d'attractions qu'ils exercent font que la protéine se replie d'une manière spécifique pour former un objet d'une forme particulière. Les biochimistes ont appris des règles qui permettent d'évaluer la manière dont les chaînes d'acides aminés peuvent se replier mais ces règles ne sont pas absolues. Tenter de prévoir de quelle manière une chaîne va se replier revient un peu à faire un puzzle dont les pièces, découpées dans une surface unie, pourraient s'assembler plus ou moins de différentes manières, une seule étant la bonne. La recherche des règles de conformation d'une protéine donnée pourrait occuper plusieurs vies et une réponse correcte ne serait peut-être même pas reconnue. Les biochimistes qui utilisent les meilleurs programmes informatiques disponibles à l'heure actuelle ne peuvent toujours pas prédire la manière dont une grosse protéine naturelle va se replier et certains désespèrent d'y parvenir en un délai raisonnable. Ceci dit, la plupart des biochimistes travaillent en tant que chercheurs, pas en tant qu'ingénieurs. Ils s'attachent plutôt à déterminer de quelle manière les protéines naturelles se replient ; pas à modéliser des protéines qui vont se replier selon les calculs effectués. Ces tâches peuvent sembler similaires 9 mais elles sont en réalité très différentes : la première est un défi scientifique, la seconde est un défi d'ingénieur. Pourquoi les protéines naturelles devraient-elles se replier d'une manière que les scientifiques trouvent facile à prévoir? Tout ce dont la nature a besoin, c'est que les protéines se replient correctement, pas que ces repliements s'effectuent d'une manière qui paraisse évidente. Mais les protéines peuvent être conçues dès le départ pour que leur repliement soit plus prédictible. Carl Pablo, dans Nature 10, a proposé une stratégie de modélisation fondée sur cette approche et quelques ingénieurs en biochimie ont imaginé et construit de courtes chaînes de quelques dizaines d'acides aminés 11 qui se sont repliées et nichées à la surface d'autres molécules comme prévu. Ils ont 11

13 Les engins constructeurs réussi à construire en partant de zéro une protéine 12 dont les propriétés s'apparentent à celles de la mélittine, une toxine contenue dans le venin d'abeille. Ils ont modifié des enzymes existantes, changé leurs comportements d'une manière prédictible 13. Notre compréhension des protéines grandit de jour en jour. Selon le biologiste Garrett Hardin 14, en 1959, des généticiens ont déclaré l'ingénierie génétique impossible ; aujourd'hui, c'est devenu une industrie. La biochimie et la conception de molécules assistée par ordinateur sont des domaines en pleine explosion et comme Frederick Blattner l'a écrit dans le journal Science 15, "les programmes de jeux d'échecs ont déjà atteint le niveau des grands maîtres. Peut-être que la solution au problème du repliement des protéines est plus proche que l'on ne croit." William Rastetter de Genetech, écrivant dans Applied biochemistry and biotechnology 16 a demande : "Quelle distance nous sépare encore de la conception d'enzymes et de leur synthèse de novo? Dix ans? Quinze ans?" et il répond : "Peut-être moins que cela." Forrest Carter, du U.S. Naval Research Laboratory b, Ari Aviram et Philip Seiden de chez IBM, Kevin Ulmer de Genex Corporation et d'autres chercheurs dans des laboratoires universitaires ou industriels à travers le monde, ont déjà commencé le travail théorique et les expériences en vue de fabriquer des interrupteurs et des mémoires moléculaires ainsi que d'autres structures qui pourraient être utiles à la fabrication d'un ordinateur biologique. Le U.S. Naval Research Laboratory a organisé deux conférences internationales sur les appareils électroniques moléculaires 17 et une rencontre patronnée par la U.S. National Science Foundation c insistait sur le besoin de développer les recherches 18 sur les ordinateurs moléculaires. Le Japon a annoncé le lancement d'un programme de plusieurs millions de dollars dans le but de développer des moteurs et des ordinateurs moléculaires capables de s'auto-assembler. A San José, la société VLSI Research 19 annonce quant à elle : "Il semble que la course pour les bio-puces d (un autre terme pour désigner les systèmes moléculaires électroniques) ait déjà commencé". NEC, Hitachi, Toshiba, Matsushita, Fujitsu, Sanyo-Denki et Sharp ont commencé les efforts de recherche à grande échelle dans le domaine des bio-puces pour "bioordinateur". Les biochimistes ont d'autres raisons de vouloir apprendre l'art de la conception des protéines. De nouvelles enzymes promettent en effet de rendre faciles et propres des réactions chimiques qui demeurent pour l'instant polluantes et coûteuses. De nouvelles protéines offriront toute une nouvelle gamme d'outils aux biotechnologistes. Nous sommes déjà sur la route de l'ingénierie protéique et comme Kevin Ulmer le fait remarquer dans l'en-tête de ce chapitre tiré de Science, cette route nous mène "vers une capacité plus générale d'ingénierie moléculaire qui nous permettra de structurer la matière atome par atome". Nanotechnologies de seconde génération Malgré leur polyvalence, les protéines ont quelques faiblesses en tant que matériel d'ingénierie. Les machines protéiques s'arrêtent quand on les déshydrate, gèlent quand on les refroidit, cuisent quand on les chauffe. On ne construit pas des machines avec de la chair, des poils et de la gélatine. A travers les siècles, nous avons appris à utiliser nos mains de chair et d'os pour construire des machines en bois, a Biochimie et biotechnologie appliquées b Laboratoire de recherche de la Marine des Etats-Unis c Fondation nationale pour la science (Etats-Unis) d [NDT] : De nos jours, le terme "bio-puce" désigne plutôt les puces spécialisées dans l'analyse de l'adn. Ici, nous parlerions plutôt de microprocesseur moléculaire 12

14 Les engins constructeurs céramique, acier et plastique. Nous continuerons à faire de même dans le futur. Nous utiliserons des machines protéiques pour construire des nanomachines faites de matériaux plus solides que les protéines. À mesure que les nanotechnologies se passeront des protéines, elles deviendront plus ordinaires du point de vue des ingénieurs. Les molécules seront assemblées comme les pièces d'un mécano et les parties correctement assemblées resteront liées ensemble. A la manière dont des outils ordinaires peuvent assembler des machines ordinaires à partir de leurs pièces, les outils moléculaires dont nous disposerons assembleront les molécules ensemble pour faire de petits engrenages, moteurs et leviers et les regrouperont pour former des machines complexes. Les pièces qui ne contiennent que quelques atomes sont bosselées mais les ingénieurs peuvent travailler avec des parties bosselées si celles-ci reposent sur des paliers a suffisamment lisses. Certaines liaisons entre les atomes constituent des paliers satisfaisants ; cela signifie que des pièces peuvent être montées par l'intermédiaire d'une seule liaison chimique 20 qui les laissera tourner librement et régulièrement. Comme un palier peut être fabriqué en utilisant seulement deux atomes (et des parties mobiles n'en nécessitent que quelques-uns), les nanomachines peuvent réellement avoir des composants de taille moléculaire. Comment ces machines plus performantes seront-elles construites? Depuis des années, les ingénieurs utilisent la technologie pour faire progresser la technologie. Ils ont manipulé des outils métalliques pour travailler le métal en des outils meilleurs encore et les ordinateurs pour concevoir et programmer des ordinateurs plus puissants. De la même manière, ils utiliseront des nanomachines protéiques pour construire des nanomachines plus performantes. Les enzymes nous indiquent la voie : elles assemblent des grosses molécules en "attrapant" des petites molécules dispersées dans le liquide environnant, puis en les maintenant ensemble jusqu'à ce qu'une liaison se forme. Les enzymes assemblent l'adn, l'arn, les protéines, les graisses et les hormones de cette manière et plus généralement toutes les molécules que l'on trouve dans le règne du vivant. Les ingénieurs en biochimie seront capables de construire de nouvelles enzymes qui assembleront les atomes en de nouveaux motifs. Par exemple, ils feront peut-être une machine similaire à une enzyme qui ajoutera des atomes de carbone à un endroit précis couche après couche. S'ils sont assemblés correctement, les atomes formeront une fine fibre de diamant 21 flexible, qui aura 50 fois la résistance de l'acier pour une densité égale à celle de l'aluminium. Les compagnies aérospatiales se bousculeront pour acheter de telles fibres en grande quantité afin d'élaborer des composites avancés (et là encore, la course aux armements sera un puissant moteur en faveur du développement des nanotechnologies). Mais l'avancée majeure aura lieu lorsque les machines protéiques seront capables d'assembler des structures plus complexes que de simples fibres. Ces machines protéiques programmables ressembleront aux ribosomes programmés par l'arn ou encore à l'ancienne génération de machinesoutils programmées par bandes perforées. Elles ouvriront un vaste champ de possibilités, permettant aux ingénieurs d'échapper aux limitations des protéines pour construire de manière plus simple des machines compactes et robustes. a [NDT] : Un palier est une pièce servant à supporter et à guider un arbre tournant 13

15 Les engins constructeurs Comme les enzymes naturelles, les protéines artificielles assembleront et sépareront les molécules. Les protéines existantes se lient à une grande variété de molécules, les utilisant comme des outils chimiques ; les protéines artificielles utiliseront tous ces outils et bien d'autres encore. De plus, en chimie organique, les chimistes ont montré que les réactions chimiques peuvent produire des résultats remarquablement ordonnés, même en l'absence de nanomachines pour les guider. Les chimistes n'ont pas de contrôle direct sur les mouvements désordonnés des molécules dans un liquide, qui peuvent donc réagir de toutes les manières possibles, selon leurs rencontres. Les chimistes parviennent toutefois à influer sur les molécules 22 pour qu'elles forment des structures régulières comme des cubes, des dodécaèdres ou des structures qui semblent encore plus improbables comme des anneaux moléculaires avec des liaisons très tendues. Les machines moléculaires seront encore plus habiles à réaliser des liaisons interatomiques, parce qu'à la différence des chimistes, elles pourront guider les mouvements des molécules. En effet, c'est parce qu il est encore impossible aux chimistes de diriger les mouvements des molécules qu'ils réussissent rarement à en assembler de complexes selon un plan préétabli. Les plus grosses molécules qu'ils réalisent en respectant un schéma spécifique et complexe sont toutes des chaînes linéaires. Ils les forment en ajoutant une à une des molécules à une chaîne en formation, selon une séquence ordonnée (comme dans la machine à assembler des gènes). Avec seulement un site de liaison par chaîne, ils sont sûrs d'ajouter la pièce suivante à la bonne place. Mais si une grosse molécule arrondie et bosselée possède (par exemple) une centaine d'atomes d'hydrogène à sa surface, comment les chimistes peuvent-ils en retirer un en particulier (celui placé cinq atomes au-dessus et trois atomes à droite de la bosse placée à l'avant de la molécule), pour ajouter autre chose à cette place? Mélanger ensemble de simples produits chimiques ne donnera que très rarement le bon résultat, parce que de petites molécules ne peuvent être que faiblement sélectives quand elle réagissent avec une grosse molécule. En revanche, les machines protéiques auront cette sélectivité. Une machine protéique flexible et programmable pourra se saisir d'une grosse molécule (la pièce à travailler) et amener d'autre part une petite molécule contre elle, juste à la bonne place. Comme une enzyme, elle liera alors les deux molécules ensemble. En accrochant des molécules les une après les autres à la pièce de travail, la machine assemblera une structure de plus en plus large en maintenant un contrôle total sur l'arrangement de ses atomes. C'est le facteur clé qui a manqué aux chimistes. Comme les ribosomes, de telles nanomachines peuvent travailler sous le contrôle de "bandes" moléculaires. A la différence des ribosomes, elles manipuleront une grande variété de petites molécules (pas seulement des acides aminés) et les lieront à la pièce en construction au bon endroit et pas seulement à l extrémité. Les machines protéiques combineront alors la faculté de créer et briser des liaisons au caractère programmable des ribosomes. Mais là où les ribosomes ne peuvent construire que de fragiles protéines, ces machines protéiques construiront des objets, solides et petits, en métal, en céramique ou en diamant. Ces objets seront invisibles mais pourtant très robustes. Dans des situations où nos doigts de chair sont susceptibles d'être meurtris ou brûlés, nous utilisons des pinces en acier. Dans des situations où les machines protéiques seront susceptibles d'être détruites ou désintégrées, nous nous tournerons vers des nanomachines faites de matériaux plus résistants. 14

16 Les engins constructeurs Assembleurs universels La seconde génération de nanomachines construites à partir d'autres matériaux que des acides aminés fera tout ce que les protéines sont capables de faire et bien plus encore 23. En particulier, certaines joueront un rôle important, en tant qu'outils améliorés, dans l'assemblage des structures moléculaires. Capables de tolérer selon leur conception les acides ou le vide, le gel ou les fortes chaleurs, les nanomachines de seconde génération seront à même d'utiliser comme des "outils" presque tous les réactifs utilisés par les chimistes ; mais elles les manieront avec la précision de machines programmées. Elles seront capables de lier les atomes entre eux dans pratiquement toutes les configurations stables possibles en les ajoutant par petits groupes à la molécule en formation, jusqu'à ce que la structure complexe soit terminée. Pensez à de telles machines comme à des assembleurs 24. Parce que les assembleurs nous permettront de placer les atomes dans presque tous les arrangements possibles 25, ils nous permettront de construire presque tout ce que les lois de la nature autorisent. En particulier, ils nous permettront de réaliser presque tout ce que nous pouvons concevoir; y compris d'avantages d'assembleurs. Les conséquences en sont énormes, parce qu'avec nos outils grossiers, nous n'avons exploré qu'une parcelle de ce que permettent les lois de la nature. Les assembleurs marqueront le début d'une nouvelle ère technologique. Les avancées dans les domaines de la médecine, de l'espace, de l'informatique, de la production et de la guerre sont toutes dépendantes de notre faculté à arranger les atomes. Avec des assembleurs, nous serons en mesure de remodeler notre monde ou de le détruire. Ainsi, il est temps de prendre un peu de recul et d'analyser les perspectives ouvertes le plus sereinement possible, afin de vérifier si les assembleurs et les nanotechnologies ne sont pas un mirage prospectif. Réponses aux objections Dans tout ce que je viens de décrire, j'ai pris soin de rester près de faits démontrés en chimie et en biologie moléculaire. Cependant, certaines personnes émettent régulièrement des objections dont les arguments s'appuient sur la physique ou la biologie. Ces questions méritent des réponses plus directes. Le principe d'incertitude de la physique quantique empêchera-t-il les nanomachines de fonctionner? Ce principe interdit, entre autres choses, de préciser à la fois la position et la vitesse d une particule. Ceci limite les possibilités des machines moléculaires, de la même manière que cela limite tout ce qui peut être fait. Malgré tout, les calculs montrent que le principe d'incertitude limite peu le maintien des atomes en place, au moins en ce qui concerne notre sujet d'étude. En revanche, le principe d'incertitude rend la position des électrons très floue ; c'est même cette incertitude sur la position qui détermine la taille et la structure des atomes. Cependant un atome, pris comme un tout, a une position relativement bien précise, définie par celle de son noyau. Si les atomes n'occupaient pas de position bien définie, les molécules n'existeraient pas. Il est inutile d'étudier la physique quantique pour admettre ces conclusions, parce que les cellules vivantes démontrent le bon fonctionnement des machines moléculaires. Les vibrations moléculaires dues à la chaleur rendront-elles les machines moléculaires inutilisables ou très peu fiables? 15

17 Les engins constructeurs L'agitation thermique pose plus de problèmes que le principe d'incertitude mais encore une fois, les machines moléculaires existantes prouvent de manière directe que les machines moléculaires peuvent fonctionner à température ambiante. Malgré les vibrations thermiques, la machinerie responsable de copier l'adn 26 fait, dans certaines cellules, moins d'une erreur sur d'opérations. Toutefois, pour atteindre cette exactitude, les cellules utilisent des machines (comme l'enzyme ADN polymérase I) qui vérifient la copie et corrigent les erreurs. Les assembleurs nécessiteront certainement de tels systèmes de correction d'erreurs s'ils doivent produire des résultats fiables. Les radiations désorganiseront-elles les machines moléculaires jusqu'à les rendre inutilisables? Les radiations de haute énergie peuvent briser des liaisons chimiques et perturber les machines moléculaires. Mais les cellules vivantes montrent qu'une fois encore la solution existe : elles fonctionnent sans interruption pendant des années en réparant et remplaçant les éléments endommagés par les radiations 27. Les machines moléculaires sont très petites, elles représentent donc des cibles très réduites pour les radiations et elles ne sont que rarement touchées. Cependant, pour être fiable, un système de nanomachines devra être capable de tolérer certains dégâts et de réparer ou remplacer les parties endommagées. Cette approche de la fiabilité est bien connue des concepteurs d'avions et de fusées. Etant donné que l'évolution n'est pas parvenue à produire des assembleurs, cela ne montre-t-il pas qu ils sont irréalisables ou inutiles? Les réponses aux questions précédentes s'appuyaient en partie sur le fait que les machines moléculaires existent dans les cellules. Ceci est un exemple simple et probant permettant d'affirmer que les lois de la nature autorisent l'utilisation de groupes d'atomes comme des machines programmées, capables de construire d'autres nanomachines. Malgré leur ressemblance fondamentale avec les ribosomes, les assembleurs différeront de tout ce que l'on peut trouver dans des cellules. Toutefois, avec des mouvements moléculaires et des réactions ordinaires, ils créeront des choses nouvelles : par exemple, aucune cellule, ne fabrique de fibres de diamant. L'idée que de nouvelles sortes de nanomachines nous procureront de nouvelles capacités peut paraître surprenante : malgré plusieurs milliards d'années d'évolution, la vie n'a jamais abandonné 28 sa dépendance envers les machines protéiques. Cela signifie-t-il cependant que des améliorations sont impossibles? L'évolution progresse au travers de petits changements et l'évolution de l'adn peut difficilement remplacer l'adn. Etant donné que le système ADN/ARN/ribosome est spécialisé dans la fabrication de protéines, la vie n'a pas eu réellement le choix pour évoluer de manière alternative. Tout directeur de production peut facilement en apprécier les raisons : plus encore que pour une usine, la vie ne peut pas se permettre de s'arrêter pour remplacer ses vieux systèmes. Une machine moléculaire améliorée ne devrait pas nous surprendre plus que des alliages d'acier qui sont dix fois plus résistants que des os ou que des fils de cuivre, qui transmettent les signaux électriques un million de fois plus vite que les nerfs. Les voitures battent les guépards à la course, les avions à réaction volent plus vite que les faucons et les ordinateurs calculent déjà plus vite que des humains se grattant la tête. Le futur apportera encore davantage d'exemples d'améliorations face à l'évolution biologique et parmi ces exemples figureront les nanomachines de seconde génération. 16