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Posté par Michel le Samedi 30/05/2009 à 00:00
S'inspirer des plantes pour mieux maîtriser nos flux d'énergie et de matière
Les organismes vivants ont développé des systèmes de régulation de leurs voies métaboliques, qui leur sont nécessaires pour survivre. Pourquoi ne pas s'inspirer de ces mécanismes afin d'améliorer notre maîtrise des flux de matière et d'énergie ?

C'est dans cette optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) que des chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), de l'INRA et du CEA (1) ont développé un modèle mathématique représentant les voies de biosynthèse des acides aminés (2) chez la plante (Les plantes (Plantae Haeckel, 1866) sont des êtres pluricellulaires à la base de la chaîne alimentaire. Elles forment l'une des subdivisions (ou règne) des...) Arabidopsis. Ce modèle a permis de reproduire fidèlement des mesures réalisées avec des plantes entières, démontrant ainsi son exactitude. Des simulations ont alors permis de comprendre qualitativement et quantitativement le fonctionnement d'un tel réseau de contrôle. Ces résultats viennent d'être publiés en ligne par la revue Molecular Systems Biology.


Une cellule végétale

Imaginez qu'une usine fabrique simultanément, à partir d'un même stock de pièces détachées, plusieurs modèles de voiture (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises,...) à une vitesse (On distingue :) de 20 000 voitures par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...) et qu'elle doive, de plus, adapter sa vitesse de production à un apport de pièces détachées plus ou moins efficace ainsi qu'à une demande très fluctuante des consommateurs. À ce rythme, plus d'un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) de voitures peuvent être fabriquées en une journée. On comprend aisément qu'à cette vitesse, le moindre retard lors d'une étape puisse conduire à un chaos indescriptible.

De tels flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) sont caractéristiques des processus de synthèse des petites molécules dans les organismes vivants (métabolisme). Ces derniers ont en effet été capables, au cours de l'évolution, de développer des systèmes de contrôle permettant de gérer leur production de molécules, à des vitesses parfois encore 1 000 fois plus grandes. Ces mécanismes de contrôle sont nécessaires pour éviter une rupture de stock ou un engorgement qui ralentiraient la croissance de la plante, ou tueraient les cellules, lors d'un changement dans leur environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels,...). Par exemple, la lumière, source d'énergie pour les plantes, peut augmenter brusquement après le passage d'un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de la...) ; un coup de vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à tous les...) peut faire baisser la température d'une dizaine de degrés, divisant ainsi la vitesse de travail dans la cellule par deux.

Partant du principe que la nature, dans sa capacité à gérer des systèmes complexes, était sans doute un bon exemple à suivre pour améliorer notre maîtrise des flux de matière et d'énergie, les chercheurs se sont fixés comme objectif de modéliser un système métabolique comprenant de nombreuses bifurcations et un réseau dense de contrôles (synergie, feedback, inhibitions, activation (Activation peut faire référence à :), doubles contrôles). Ils se sont inspirés de modèles expérimentaux pour obtenir les informations nécessaires à la mise en place du modèle mathématique:

- mesure de la vitesse à laquelle les « robots » (les enzymes (3)) transforment ou assemblent des pièces (les métabolites).

- mesure de la sensibilité de certains « robots » (les enzymes allostériques) à différents signaux (selon les niveaux de certains stocks, ces enzymes clé travailleront plus ou moins vite).

- comptage du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de robots impliqués à chaque étape grâce à des anticorps reconnaissant spécifiquement ces enzymes.

Chaque brique d'information n'est pas en elle-même porteuse (Une porteuse est un signal sinusoïdal de fréquence et amplitude constantes. Elle est modulée par le signal utile (audio, vidéo, données) en vue, soit de sa diffusion au moyen d’un...) de sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...). Mais lorsque l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de ces données a été assemblé dans un modèle mathématique d'un niveau de complexité très élevé, il a été possible de simuler le comportement du système et de reproduire des mesures réalisées avec des plantes entières.

Le modèle a également permis de reproduire quantitativement le comportement de certaines plantes mutantes. Ces résultats validant le modèle, des simulations, intégrant la modification de certains paramètres, ont alors été réalisées et ont permis de comprendre qualitativement et quantitativement le fonctionnement d'un tel réseau de contrôle.

Ces problématiques de contrôle rencontrées dans les systèmes vivants se rapprochent de celles rencontrées, par exemple, dans un réseau électrique. Ainsi, le modèle mathématique mis au point (Graphie) pourrait permettre d'améliorer l'efficacité de ce dernier. Les chercheurs s'intéressent dorénavant à d'autres systèmes métaboliques qui présentent une architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) de contrôle différente ainsi qu'à d'autres mécanismes de contrôle qui opèrent sur des gammes de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) plus lentes et qui ont pour fonction de contrôler le nombre d'enzymes.


Notes:

(1) Les chercheurs du laboratoire de physiologie cellulaire végétale (CNRS / CEA / Inra / Université de Grenoble 1) ont travaillé en collaboration avec le Laboratoire « Bioénergétique et ingénierie des protéines » (CNRS).

(2) Les acides aminés sont les constituants de base des protéines. Ils mesurent environ 100 picomètres (pm).

(3) Une enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant d'abaisser l'énergie d'activation d'une réaction et d'accélérer jusqu'à des millions de fois les...) est une molécule, le plus souvent une protéine, permettant d'accélérer jusqu'à des millions de fois les réactions chimiques du métabolisme.


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Source: CNRS