LES SYSTEMES COMPLEXES : mathématiques et biologie – par Hervé Zwirn
Editions Odile Jacob 2006
« Une des caractéristiques majeures des systèmes complexes, c’est qu’il ne peuvent s’étudier que de manière globale. Découper en morceaux un système complexe dans l’espoir de comprendre indépendamment le comportement de chacune de ses parties et de reconstituer ensuite le tout est une entreprise vouée à l’échec. C’est une des raisons qui rendent nécessaire le développement de nouvelles méthodes pour les étudier. » etc
LES METHODES EN BIOLOGIE - De même qu'en pays inconnu on ne peut se diriger utilement qu'à la condition d'avoir un principe directeur: les astres, la boussole,… de même, dans une science quelconque, on ne peut avancer qu'à la condition d'avoir une théorie directrice, qui inspire et dirige la recherche. Une théorie générale contenant une part d'erreur, même une grande, favorise le progrès plus que l'absence de toute théorie… Sans théorie, sans direction, on piétine sur place sans avancer, on tourne indéfiniment, revenant toujours aux mêmes points; par l'absence de direction on est comme enfermé dans un labyrinthe dont on ne peut sortir.
L'absence d'une théorie générale de la vie nuit beaucoup aux progrès de la biologie. Sans un système qui réunisse entre eux, dans un ensemble cohérent et harmonique, les phénomènes présentés par les êtres vivants, la biologie ne peut être qu'un entassement de matériaux, un amoncellement confus attendant l'architecte. Sans doute, les carriers, les manœuvres, les charretiers, tous ceux qui recueillent et accumulent des matériaux ont un rôle important, mais il ne faut pas déprécier les rôles de l'architecte et de l'ingénieur, il ne faut pas répudier les études d'ensemble, l'établissement des dessins et des plans, le travail pour ordonner, disposer les matériaux et réaliser l'édifice….
Jusqu'à présent la biologie n'a eu recours qu à l'observation et à l'analyse. L'unique utilisation de l'observation et de l'analyse, l'exclusion de la méthode synthétique, est une des causes qui retardent les progrès de la biologie. La méthode analytique en biologie est paralysée, stérilisée par l'union indissoluble des phénomènes ; si, chez un être vivant, on essaie d'isoler des autres un seul phénomène, le phénomène disparaît, l'animal meurt. Non seulement la rnéthode synthétique est applicable à la biologie comme aux autres sciences, mais elle semble devoir être la plus féconde, la plus apte à nous révéler les mécanismes physiques des phénomènes de la vie dont l'étude n'est même pas ébauchée. etc
La biologie systémique «met le paquet». RuediAebersold, professeur à l’Institut de biologie systémique moléculaire de l’EPF de Zurich - et avec lui un groupe de scientifiques en rapide augmentation – mise sur la biologie systémique pour pouvoir lire et comprendre le sens des séquences génétiques et la grammaire du génome. Le projet du génome humain en était très éloigné. On avait en quelque sorte épelé toutes les mots d’un livre sans toutefois en comprendre le sens. Cela devrait maintenant relever du domaine du possible avec l’aide de la biologie systémique…
… la biologie systémique peut également être vue comme une tentative pour décrire des processus vitaux dans leur globalité. Pendant près d’un demi-siècle, les biochimistes et les biologistes moléculaires avaient adopté la démarche inverse. Ils cherchaient à comprendre la «vie» en décomposant la cellule en ses différents constituants, qu’ils entreprenaient d’analyser. Mais, chose étrange: à chaque étape de ce découpage de la cellule en protéines, acides nucléiques et acides aminés, la vie s’échappait du système, et tout ce qui restait, c’étaient des progrès enregistrés dans la compréhension moléculaire de la biologie….
A la différence du génome, lequel reste le même du berceau à la tombe, la composition des protéines et des produits métaboliques change continuellement dans toutes les cellules de l’organisme. En une phrase: le génome est statique, ses produits sont dynamiques. La biologie systémique tente de maîtriser cette dynamique, en ce sens qu’elle ne saisit pas seulement quantitativement les processus survenant dans les cellules, mais qu’elle s’efforce en outre de transcrire ces processus de la vie en modèles mathématiques….etc
Cellules vivantes : modéliser pour mieux tester. Le rêve de tout biologiste n'est-il pas de disposer d'un outil qui puisse simuler le fonctionnement si complexe des cellules vivantes ? Entre Lyon et Grenoble, l'équipe de recherche Helix, composée d'une quarantaine de biologistes et d'informaticiens, œuvre dans cette direction. Une force de recherche importante pour cette équipe qui fait partie du gratin européen de la bioinformatique.
À l'origine, ce qui a poussé tout ce beau monde à se rassembler, c'est une réelle motivation pour une approche très interconnectée de la biologie moléculaire et cellulaire, de l'informatique et des mathématiques appliquées. «C'est cette double culture qui fait notre force, explique François Rechenmann, directeur de recherche à l'Inria et créateur d'Helix. Nous sommes aussi bien capables d'identifier et d'analyser des problèmes biologiques que de trouver les méthodes informatiques et mathématiques qui leur apporteront des solutions pertinentes.»
Concrètement, biologistes et informaticiens travaillent de concert pour développer, expérimenter et utiliser tout une gamme de logiciels qui aident à gérer et à analyser les données issues des dispositifs expérimentaux tels que les séquenceurs de génomes, les puces à ADN ou les spectromètres de masse. etc
Un modèle pour la politique suisse de la recherche. La Suisse entend être dans le peloton de tête en Biologie Systémique et atteindre le top niveau mondial. Aussi plusieurs centaines de millions de francs de moyens publics et privés seront-ils investis ces prochaines années dans cette discipline d’avenir…La Biologie Systémique est une branche scientifique interdisciplinaire. La modélisation mathématique de processus biologiques y joue un rôle central et exige une étroite collaboration entre biologistes, physiciens, chimistes, mathématiciens, médecins et informaticiens. Cette coopération interdisciplinaire, qui implique à la fois la théorie, l’observation et la modélisation, vise à faire de la biologie une science quantitative. etc
INVENTER LA BIOLOGIE DE DEMAIN. La biologie des systèmes constitue un domaine de recherche en plein essor, qui s’appuie sur les progrès rapides des techniques d’investigation biologique et sur des approches multidisciplinaires, pour élaborer de nouveaux modèles quantitatifs permettant de comprendre l’organisation et le fonctionnement du vivant.L'enseignement à l'École normale supérieure abordera :
- Analyses globales des processus cellulaires
- Études dynamiques des structures cellulaires in vivo
- Modélisation des systèmes biologiques
- Métagénomique et évolution des génomes
- Biologie synthétique et biologie in silico
- Approches intégratives en recherche médicale
- Interfaces homme-machine et nanotechnologies
Une nouvelle ère pour la biologie des systèmes en Europe - (Commission européenne ... 2010 )
La biologie des systèmes est basée sur la modélisation informatique des systèmes biologiques, s'étendant des cellules uniques à des organismes entiers. Il s'agit d'une science interdisciplinaire émergeante qui associe des méthodes de la biologie moléculaire, des sciences de l'ingénieur, des mathématiques, des technologies de l'information et des sciences des systèmes. En plus des applications médicales évidentes, la biologie des systèmes pourrait avoir un impact important sur l'agriculture et la biotechnologie. etc
De_la_genomique_a_la_biologie_integrative - 2006 - La biologie des systèmes adopte une démarche itérative et intégrative en combinant des approches expérimentales (expériences "humides") et théoriques dans lesquelles les mathématiques jouent un rôle central (expériences "in silico" ou "sèches").
Dans un premier temps, l'hypothèse de départ est formulée à partir des connaissances scientifiques disponibles sur un système à un moment donné. Ces connaissances sont sous la forme de données produites par un ou plusieurs niveaux hiérarchiques de l'organisation des systèmes biologiques. Elles seront intégrées dans un modèle mathématique préliminaire afin d'établir des prédictions sur le fonctionnement de ce système biologique.
Dans un deuxième temps, certains éléments du système seront perturbés expérimentalement. On compare l'état perturbé à un témoin normal. Les résultats obtenus ne seront pas tous conformes au modèle mathématique de départ. Ce qui conduit à modifier les hypothèses initiales.
Dans un troisième temps, les hypothèses de travail modifiées serviront à concevoir en retour d'autres perturbations expérimentales du système. Ce raisonnement sera répété autant de fois que nécessaire jusqu'à ce que les résultats expérimentaux se superposent avec le modèle mathématique… etc
Cellules vivantes : modéliser pour mieux tester. Le rêve de tout biologiste n'est-il pas de disposer d'un outil qui puisse simuler le fonctionnement si complexe des cellules vivantes ? Entre Lyon et Grenoble, l'équipe de recherche Helix, composée d'une quarantaine de biologistes et d'informaticiens, œuvre dans cette direction. Une force de recherche importante pour cette équipe qui fait partie du gratin européen de la bioinformatique.
À l'origine, ce qui a poussé tout ce beau monde à se rassembler, c'est une réelle motivation pour une approche très interconnectée de la biologie moléculaire et cellulaire, de l'informatique et des mathématiques appliquées. «C'est cette double culture qui fait notre force, explique François Rechenmann, directeur de recherche à l'Inria et créateur d'Helix. Nous sommes aussi bien capables d'identifier et d'analyser des problèmes biologiques que de trouver les méthodes informatiques et mathématiques qui leur apporteront des solutions pertinentes.»
Concrètement, biologistes et informaticiens travaillent de concert pour développer, expérimenter et utiliser tout une gamme de logiciels qui aident à gérer et à analyser les données issues des dispositifs expérimentaux tels que les séquenceurs de génomes, les puces à ADN ou les spectromètres de masse. etc
Un réseau de laboratoires de pointe :
ENS (Ulm), Université Pierre et Marie Curie, CEA, ESPCI ParisTech, Institut Curie, Institut Pasteur, École Polytechnique, Agro Paristech, ENS (Lyon), IGBMC (Strasbourg), IBDML (Marseille) …