37.000 joueurs en ligne pour élucider les mystères du vivant
De prime abord, rien ne distingue le jeu vidéo Eterna de n’importe quel autre casse-tête virtuel… En réalité, ce jeu de construction en ligne, dans lequel les internautes doivent assembler quatre types de molécules pour produire des chaînes d’ARN virtuelles, constitue une expérience scientifique d’une insoupçonnable puissance. L’ingéniosité de ses 37.000 participants sert en effet de modèle à des algorithmes destinés à prédire la forme que prendront, en laboratoire, de véritables chaînes d’ARN.
Lassé de la "réalité virtuelle" ? Des chercheurs étasuniens ont développé il y a quelques années Eterna, un jeu vidéo en ligne d’un genre très particulier, qui pourrait bien vous séduire. Les règles sont a priori très simples : il s’agit de construire des chaînes de molécules, selon les principes qui gouvernent réellement, dans le vivant, la structuration de l’ARN (voir encadré). De nombreux défis sont à relever, et certaines énigmes imaginées par les concepteurs du programme sont particulièrement ingénieuses.
Un bon moyen de découvrir ou de réviser le programme de biologie de Terminale, option scientifique ? Peut-être… Mais maintenant que vous maîtrisez les principes de base d’Eterna, pourquoi ne pas essayer d’imaginer une molécule vraiment originale ? Une chaîne d’ARN qui, si elle était synthétisée en laboratoire, se replierait en forme de tire-bouchon, ou se déploierait en forme de ballon ?
"La nature fournit le score final – et la nature est un arbitre difficile. "
Sachez que si, vous relevez le défi, et soumettez votre création à la communauté, celle-ci pourrait sans délai être fabriquée dans les laboratoires des créateurs d’Eterna. Avez-vous visé juste ? Votre œuvre prendra-t-elle la forme tridimensionnelle prédite ?
Mais attention ! Sachez que des logiciels puissants, conçus par les meilleurs ingénieurs de la planète, essaient dans le même temps d’anticiper les mouvements de votre ambitieuse molécule. Toutefois, il faut bien l’avouer : la biochimie est une affaire très compliquée. Et les algorithmes les plus puissants échouent souvent à modéliser l’ensemble des interactions qui auront effectivement lieu au fond du tube à essai.
Comme l’ont annoncé les inventeurs d’Eterna lors du lancement du jeu vidéo en 2010, "la nature fournit le score final – et la nature est un arbitre difficile..."
L'ingéniosité des joueurs à la base d'un nouvel algorithme
La splendide mécanique de l’intuition humaine, mais aussi et surtout les réflexes acquis à force d’essais et d’erreurs, donnent en réalité aux joueurs un immense avantage sur la machine. Et c’est précisément cette logique humaine, cette intelligence intuitive, que les inventeurs d’Eterna essaient depuis plusieurs années d’analyser… et de transcrire en langage informatique.
Le 27 janvier 2014 – plus de trois ans après le lancement de cette expérience – les créateurs d’Eterna signent une importante publication dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), révélant les performances de l’algorithme inspiré par l’homme : EteRNABot.
L’article compare plus précisément les performances de la communauté des joueurs, celle d’EteRNABot, et celles des deux meilleurs algorithmes existant à ce jour.
Sur la première marche du podium se trouve… le génie humain. "Les dessins proposés par les humains ont une probabilité de 99% d'être supérieurs, en qualité, à ceux proposés par les deux algorithmes informatiques [testés]", explique Jeehyung Lee, l’un des coordinateurs du projet.
Qu’en est-il d’EteRNABot ? Il talonne les 37.000 membres de la communauté des joueurs(2), "ses conceptions [ayant] une probabilité de 95 pour cent de surclasser celles générées par les algorithmes existants."
"La qualité des dessins produits par la communauté Eterna est tout simplement incroyable, et va bien au-delà de tout ce que nous avions lorsque nous avons initié le projet", a déclaré le professeur Adrien Treiulle, également initiateur de l’aventure, dans un communiqué.
"De tels résultats ne seraient bien sûr impossibles si les joueurs se contentaient de nous soumettre des modèles", insiste le professeur Treuille. "[Après avoir] synthétisé les modèles les plus prometteurs [dans nos laboratoires], nous donnons notre avis à la communauté, [la renseignant] sur ce qui fonctionne et sur ce qui ne fonctionne pas dans le monde physique".
Mois après mois, des principes de modélisation incroyablement efficaces – et insoupçonnés – ont émergé de l’expérience collective. Pour éviter que les longues chaînes d’ARN ne se rompent lorsqu'elles se replient, les joueurs ont découvert que le plus simple était de se contenter d’alterner, tout du long, guanine et cytosine (deux des quatre composants principaux de l’ARN). Malheureusement, lorsqu’elle se replie, une telle chaîne ne prend que rarement la forme prédite par les joueurs. En réalisant des empilements avec des paires adénine / uracile (les deux autres composants principaux de l’ARN), finalisées par quelques groupements guanine / cytosine, les formes obtenues se sont révélées tout aussi résistantes… mais beaucoup plus stables !
Une donnée factuelle qu’aucun modèle théorique n’avait pu anticiper jusqu’alors…
Les créateurs d’Eterna envisagent désormais de proposer un outil de conception tridimensionnel en ligne, afin d’offrir de nouveaux défis aux joueurs… et de nouveaux horizons à la recherche en biochimie.
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(1) D’autres projets de recherche visent à la production "d’ordinateurs à ARN", dans lesquels des milliards de petites molécules entreraient en interaction, se recombinant et formant des amas à grande vitesse… phénomènes qui pourraient servir à réaliser des calculs bien plus rapidement qu’à l’aide de simples circuits électriques…
(2) Les données analysées pour produire l’algorithme EteRNABot correspondent à celles produites par la communauté des joueurs au cours de l'année 2012. Les participants du projet sont cités comme co-auteurs de l'article publié dans les PNAS fin janvier 2014... en faisant probablement l'un des articles scientifiques ayant le plus de co-auteurs déclarés de l'histoire des sciences. En 2014, Eterna compte plus de 130.000 inscrits…
Source : RNA design rules from a massive open laboratory J. Lee, A. Treuille, R.Das, "les participants du projets EteRNA", et coll. PNAS, 27 janv. 2014 doi:10.1073/pnas.1313039111
L’acide ribonucléique (ou ARN) est l’une des molécules clefs du monde vivant. Messager de l'information génétique (pour la transcription du message porté par l’ADN en protéines), l’ARN joue aussi un rôle important de régulation du fonctionnement des cellules. Depuis plusieurs décennies, les biologistes envisagent de réaliser des chaînes artificielles d’ARN à même d’interagir avec les organismes vivants, à des fins thérapeutiques.(1) La fonction d'une molécule d'ARN dépend en grande partie de sa forme.