Modèles complexes : construire un pont entre les grands et les petits modèles
Une nouvelle théorie permet de simuler la formation de motifs complexes dans les systèmes biologiques à différentes échelles spatiales et temporelles.
Pour de nombreux processus importants pour la vie, tels que la division cellulaire, la migration cellulaire et le développement des organes, la formation de motifs biologiques dans l'espace et dans le temps est essentielle. Pour comprendre ces processus, la tâche principale ne consiste pas à expliquer comment les motifs se forment à partir d'une condition initiale homogène, mais à expliquer comment des motifs simples se transforment en motifs de plus en plus complexes. La mise en lumière des mécanismes de cette auto-organisation complexe à diverses échelles spatiales et temporelles est un défi majeur pour la science. Les techniques dites de "gros grain" permettent de simplifier ces systèmes multi-échelles, de sorte qu'ils peuvent être décrits par un modèle réduit à de grandes échelles de temps et de longueur. "Cependant, le prix à payer pour la formation grossière est la perte d'informations importantes sur les motifs à petite échelle, comme le type de motif. Or, ces motifs jouent un rôle décisif dans les systèmes biologiques. Pour donner un exemple, ils contrôlent des processus cellulaires importants", explique Laeschkir Würthner, membre de l'équipe dirigée par le professeur Erwin Frey, physicien à la LMU, et auteur principal d'une nouvelle étude qui permet de surmonter ce problème. En collaboration avec le groupe de recherche du professeur Cees Dekker (TU Delft), l'équipe de Frey a mis au point une nouvelle approche de grossissement pour les systèmes de réaction-diffusion conservant la masse, dans laquelle l'analyse à grande échelle des densités totales des particules impliquées permet de prédire les modèles à petite échelle.
Prof. Erwin Frey
LMU / v.zingn
Calculs numériques en quelques minutes au lieu de plusieurs mois
Les scientifiques ont illustré le potentiel de leur approche avec le système protéique Min, un modèle paradigmatique de formation de motifs biologiques. La bactérie E. coli utilise diverses protéines Min circulant dans une cellule pour déterminer à quel endroit la division cellulaire a lieu. Un facteur décisif est que les protéines impliquées apparaissent à des fréquences différentes selon leur emplacement dans la cellule et leur état chimique - c'est-à-dire qu'elles ont une variété de densités différentes. "Nous sommes parvenus à réduire la complexité de ce système en développant une théorie qui repose uniquement sur les densités totales des protéines, de sorte que nous pouvons refléter complètement la dynamique de la formation du motif", explique M. Frey. "Il s'agit d'une réduction considérable. Les calculs numériques sont désormais effectués en quelques minutes au lieu de plusieurs mois."
Les chercheurs ont pu confirmer expérimentalement les prédictions théoriques du modèle, selon lesquelles la distribution des protéines dépend de la géométrie de l'environnement. Pour ce faire, ils ont reconstruit le système protéique Min dans une cellule à écoulement in vitro, les résultats montrant les mêmes schémas protéiques que ceux révélés par la simulation. "Une telle reconstruction de l'information à une petite échelle de longueur à partir d'une dynamique réduite au niveau macroscopique ouvre de nouvelles voies pour une meilleure compréhension des systèmes complexes multi-échelles, qui se produisent dans un large éventail de systèmes physiques", déclare Frey.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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