Recherchez sur tout Techno-Science.net
       
Techno-Science.net : Suivez l'actualité des sciences et des technologies, découvrez, commentez
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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) ?

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 (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils, les techniques et les théories mathématiques, puis généralement, en sens inverse, la traduction des résultats...) 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 Eucaryotes. Elles...) 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 (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle...) de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.). 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...) 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...) 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 (999 999 999) et...) 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 commun. Plus précisément le...) 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...). Par exemple, la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à...), 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...) ; 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) 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 (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans...) des flux de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...) 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,...) 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...). 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...) de ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) a été assemblé dans un modèle mathématique d'un niveau de complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en...) 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 (Un réseau électrique est un ensemble d'infrastructures permettant d'acheminer l'énergie électrique des centres de production vers les consommateurs d'électricité.). 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 (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application...) 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 (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l'étude, la science) étudie le rôle, le fonctionnement et l'organisation...) cellulaire végétale (CNRS / CEA / Inra / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) de Grenoble 1) ont travaillé en collaboration avec le Laboratoire "Bioénergétique et ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) 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...) est une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière...), le plus souvent une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. En général,...), permettant d'accélérer jusqu'à des millions de fois les réactions chimiques du métabolisme (Le métabolisme est l'ensemble des transformations moléculaires et énergétiques qui se déroulent de manière ininterrompue dans la cellule ou l'organisme...).


Commentez et débattez de cette actualité sur notre forum Techno-Science.net. Vous pouvez également partager cette actualité sur Facebook, Twitter et les autres réseaux sociaux.
Icone partage sur Facebook Icone partage sur Twitter Partager sur Messenger Icone partage sur Delicious Icone partage sur Myspace Flux RSS
Source: CNRS