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Modélisation de la cellule

Alain Viari - 5/11/2012

De la bio-informatique à la cellule numérique

Représentation artistique d'une cellule par D. Goodsell Vue artistique des composants d'une cellule - © David Goodsell

Les cellules vivantes sont le siège de nombreuses réactions biochimiques très complexes, interagissent entre elles et avec leur environnement. La modélisation numérique des cellules aide à mieux comprendre leur fonctionnement pour, éventuellement, mieux les contrôler dans des applications de l’industrie pharmaceutique, de la recherche biomédicale ou des biotechnologies.

Témoignage d’Alain Viari , directeur de recherche, équipe-projet Bamboo

De la modélisation des interactions entre gènes à la modélisation du développement des cellules 

Historiquement, la modélisation en biologie a démarré par la bio-informatique, avec la modélisation des séquences d’ADN des bactéries et, en particulier, en cataloguant leurs gènes. C'était la période de l’algorithmique des textes génomiques.

La seconde étape historique a consisté à décrire les relations entre les produits de ces gènes, les protéines. C'était la période de l'algorithmique sur les réseaux de relations géniques, représentées par des graphes.
Les premières études portaient sur des systèmes simples constitués de quelques gènes. Avec l’amélioration des performances informatiques et des algorithmes, il est désormais envisageable d'analyser des systèmes comportant des centaines voire des milliers de gènes. Ce changement d’échelle n'est pas sans difficulté en ce qui concerne les modèles mathématiques et numériques.

Ces premiers réseaux d’interactions géniques étaient statiques, au sens où ils décrivaient les relations sans prendre en compte leurs modifications au cours du temps. L'étape suivante fut l'étude des réseaux dynamiques qui décrivent, simulent et prédisent cette évolution temporelle. Par exemple, comment l’expression des gènes dans une bactérie est-elle contrôlée lorsque la bactérie passe d’un état où elle dispose de nourriture à un état de carence ? De telles simulations permettent de mieux comprendre comment modifier les réseaux de régulation d’une bactérie pour la contraindre par exemple à produire les molécules d'intérêt économique, comme des biocarburants.

Modelisation de l'hématopoïèse par l'équipe Dracula Modélisation de la production des globules rouges - © EPI Dracula

Ce type de méthodes numériques permet aussi de modéliser d’autres types de cellules, telles que les cellules cancéreuses ou sanguines, pour mieux comprendre comment elles sont produites et prolifèrent dans le corps. Ces études permettent de construire des modèles mathématiques de croissance tumorale, visant à aider les cliniciens dans la définition et l'adaptation de traitements anticancéreux.

L’échelle de temps est cependant difficile à intégrer : les phénomènes cellulaires ne se déroulent pas tous à la même vitesse – certains (comme les réactions biochimiques) sont de courte durée tandis que d’autres (comme la régulation des gènes) sont plus longs. Les modèles mathématiques sont différents dans chaque cas et il faut les fusionner pour mieux comprendre l’ensemble du système.

Plus récemment, la notion d’interaction entre cellules devient prépondérante.

Par exemple, pour les bactéries, il est indispensable de comprendre ce qui se passe à l'échelle d'une population de bactéries et, surtout, comment elles interagissent avec l’humain ou avec d'autres espèces "hôtes". Il faut intégrer la génétique de la bactérie, son métabolisme et celui de l’hôte dans ces nouveaux modèles. Un cas particulièrement important dans le domaine de la santé concerne la modélisation de la réponse immunitaire de l'hôte, en réaction à une infection bactérienne.

De tels travaux impliquent les domaines de l’immunologie, de l'infectiologie, des mathématiques et de l'informatique (on parle d'immunologie computationnelle). Ces travaux visent autant l'avancée des connaissances académiques que leur transfert vers le milieu médical et industriel afin de détecter, diagnostiquer et, peut-être à terme, mieux traiter les infections pathogènes ou les dérèglements du système immunitaire.

ET DANS 20 ANS ?

Alain Viari, directeur scientifique adjoint, sciences de la vie, de la santé et de l'environnement

Alain VIARI

« À une échelle encore plus large et plus complexe, il va falloir aborder  le niveau "écologique" c'est à dire, celui des communautés d'organismes vivants. Cette évolution est logique car les organismes ne vivent pas de manière isolée, mais, au contraire en collectivités, en permanentes interactions. Par exemple, nous abritons usuellement des bactéries, qui ne sont, en état normal, pas pathogènes, mais qui peuvent le devenir si les circonstances extérieures ou les équilibres écologiques internes changent. Étudier globalement ces "méta-organismes" va devenir un enjeu majeur. »

Mots-clés : Alain Viari Cellules INRIA Grenoble - Rhône-Alpes Modélisation Bioinformatique Équipe BAMBOO

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