Biologie systémique

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Domaine, Discipline, Thématique


Définition écrite


  • Étymologie
Biologie (du grec bios « la vie » et logos, « discours ») est la science du vivant.
Système (du grec sustêma qui signifie ensemble) est un ensemble d’entités interagissant ou interdépendantes, abstraites ou concrètes, dont l’union forme un tout.



Blue-circle-target.png Bref historique:

Les origines de la biologie systémique remontent aux années 1950, lorsque C. H. Waddington établit le concept de « paysage épigénétique ». Il imagine les cellules passer d’un état de différenciation à l’autre en suivant un trajet dicté par la forme d’un paysage constitué de monts et de vallées (Figure 1B, panneau supérieur), paysage lui-même créé par les interactions entre gènes (les « piliers » du panneau inférieur de la Figure 1B). Cette vision de la cellule comme système évoluant d’état en état s’inspire des travaux de M. Delbrück, F. Jacob et J. Monod qui, après la Seconde Guerre mondiale, introduisent la notion de système en biochimie, comme un mécanisme susceptible d’expliquer le mystère de la différenciation : comment des cellules au génome identique peuvent-elles exprimer des formes et des propriétés aussi différentes que celles d’un lymphocyte et d’un myocarde ? Ils proposent de voir les enzymes et leurs substrats comme les composants de circuits dynamiques, dont les exemples les plus simples sont les boucles de rétroaction négatives et positives. Dans le cas d’une boucle négative, l’augmentation du niveau d’un élément entraîne la diminution de son taux de production, ce qui a pour résultat une stabilisation de sa production et de son abondance, à la manière d’un thermostat. Une boucle positive en revanche a l’effet inverse, et donne lieu à deux scénarios opposés : si la boucle est enclenchée, l’élément encourage sa propre production, sinon il n’est pas produit. Ce type de circuits moléculaires et d’autres plus complexes ont depuis été très étudiés théoriquement, notamment par R. Thomas et ses collègues. La réalité de ces systèmes a été démontrée expérimentalement dès la fin des années 1950 avec l’exemple de l’opéron lactose inductible de A. Novick et M. Weiner chez la bactérie E. coli, puis à de multiples reprises au cours des cinquante dernières années, ce qui a permis à la biologie systémique de s’affirmer aujourd’hui comme discipline à part entière.

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Puce-didaquest.png Exemples, applications, utilisations

  • En biologie, une certaine confusion règne autour de la définition d'un système car l’échelle d’étude d’un système peut lui valoir ou non l’appellation « système » selon l’opinion de celui qui le considère. En fait, il n’y a pas de limite théorique à la taille d’un système : libre à chacun de définir les bornes le délimitant de son environnement. Ainsi, un facteur de transcription régulant sa propre expression constitue un système, de la même façon que l’ensemble des molécules d’une cellule, l’ensemble des cellules d’un organisme, ou encore l’ensemble des individus d’une population. Différents systèmes peuvent être étudiés à partir des mêmes entités si l’on considère un type d’interaction plutôt qu’un autre. La population d’une ville peut être vue soit comme un ensemble d’individus partageant des relations économiques, des engagements matrimoniaux ou encore des maladies contagieuses, soit comme trois systèmes distincts. Un système peut aussi intégrer des composants hétérogènes, tel un écosystème comprenant à la fois des proies, des prédateurs et des ressources naturelles. Enfin, des composants et des interactions de natures différentes et traversant plusieurs échelles peuvent former un système unique.
  • La biologie systémique est la langue commune et la stratégie de recherche transdisciplinaire pour les sciences de la vie du 21e siècle. Elle permettra l'intégration de la biologie, de la médecine et des sciences de l’environnement par des interactions transdisciplinaires avec les sciences mathématiques, informatiques, chimiques, physiques et ingénierie, lui permettant d’affronter les grands défis scientifiques, technologiques et sociaux.
  • La biologie systémique aborde la complexité avec la rigueur héritée des autres disciplines. Il est clair maintenant dans l'esprit de tous les biologistes que la compréhension d'une pathologie ou d'un processus biologique passe nécessairement par le décryptage d'un système d'interactions dynamiques (développement et évolution), multi-varié (mesures de millions de molécules et de multiples paramètres) et multi-échelles (de la molécule aux écosystèmes, de la milliseconde aux millions d'années). La biologie systémique est une approche qui s'attaque à la complexité des systèmes biologiques et à leur comportement dynamique à tous les niveaux d'organisation pertinents (depuis les molécules, cellules et organes jusqu'aux organismes et aux écosystèmes). Elle combine des méthodes réductrices et intégratives en mettant l'accent tant sur les éléments qui composent le système que sur les interactions entre ces éléments qui génèrent des phénomènes d'émergence aux niveaux d'organisation supérieurs. Cette approche révolutionne la biologie car elle fournit une capacité d'analyse et un appui sur la simulation, qui a elle même subi une révolution par l'augmentation incessante des capacités de calcul.
Au XXIème siècle, il n'est pas plus difficile de mesurer l'activité d'un génome entier que celle d'un seul gène, il n'est pas difficile de séquencer les génomes de milliers de micro-organismes ou de centaines d'individus humains, la microscopie offre une résolution d'observation colossale, des milliers de cellules uniques peuvent être analysées en parallèle, l'ensemble de l'arbre du vivant peut être abordé et la médecine peut s'intéresser à des milliers de paramètres chez chaque patient. Face à cet afflux de données, les biologistes sont souvent désemparés car la planification des expériences et les méthodes d'analyses doivent être adaptées. Grâce au savoir-faire d'autres disciplines, la biologie systémique offre les outils et les solutions.
Cependant, il ne s'agit pas seulement de données. L'étude d'un système vivant repose sur un grand nombre de paramètres (demi-vies, vitesses de diffusion, affinités, etc), qui ne peuvent être tous mesurés expérimentalement. Actuellement, la biologie a la capacité de s'appuyer sur des modèles informatiques ou mathématiques qui décrivent les systèmes et permettent d'interpréter leur fonctionnement. La biologie des systèmes vise à intégrer dans un processus itératif (« le cercle vertueux ») l'acquisition de données à haut débit pertinentes pour le phénomène considéré avec une approche de modélisation dynamique multi-échelle. Il faut ici noter que la construction de tels modèles nécessite souvent l'acquisition de données dédiées, qui ne sont pas le type de données généralement collectées par les biologistes. Il est notamment vital d'obtenir des données cinétiques, qui font habituellement cruellement défaut. L'approche de biologie des systèmes n'est donc pas seulement une approche de modélisation mais bien aussi une approche expérimentale nouvelle.
Il est essentiel de noter que le but de la biologie des systèmes est bien de comprendre des phénomènes biologiques. Cependant, pour arriver à cette compréhension, la complexité des problèmes posés soulève des questions théoriques nouvelles, et parfois extrêmement difficiles, dans les disciplines non biologiques impliquées. La biologie des systèmes se fait bien à l'interface entre les disciplines mais renvoie dans chaque champ disciplinaire des questions éminemment intéressantes, au sens de ce champ.


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