Biologie des systèmes

Biologie des systèmes, étude des interactions et du comportement des composants des entités biologiques, y compris les molécules, les cellules, les organes et les organismes.

L'organisation et l'intégration des systèmes biologiques intéressent depuis longtemps les scientifiques. Cependant, la biologie des systèmes en tant que domaine d'étude officiel et organisé a émergé de la révolution de la génomique, catalysée par le Projet du génome humain (HGP; 1990-2003) et la disponibilité pour les biologistes des séquences d'ADN des génomes des humains et de nombreux autres d'autres organismes. L'établissement du champ a également été fortement influencé par la reconnaissance générale que les organismes, les cellules et les autres entités biologiques ont un degré de complexité intrinsèquement élevé. Deux thèmes dominants de la biologie moderne sont enracinés dans cette nouvelle perspective: premièrement, l'idée que la biologie est fondamentalement une science informationnelle - les systèmes biologiques, les cellules et les organismes stockent et transfèrent l'information comme leurs processus les plus fondamentaux - et deuxièmement, l'émergence de nouvelles technologies et approches pour étudier la complexité biologique.

Les organismes biologiques sont très complexes et leurs nombreuses parties interagissent de nombreuses façons. Ainsi, ils peuvent être généralement considérés comme des systèmes intégrés. Cependant, alors qu'un système complexe intégré tel que celui d'un avion de ligne moderne peut être compris à partir de sa conception technique et de ses plans détaillés, tenter de comprendre le système intégré qui est un organisme biologique est beaucoup plus difficile, principalement parce que le nombre et la force des interactions dans le système est excellent et ils doivent tous être déduits après coup du comportement du système. De la même manière, le plan de sa conception doit être déduit de son matériel génétique. Ce point de vue des «systèmes intégrés» et toutes les approches associées pour l'étude des cellules et organismes biologiques sont collectivement appelés biologie des systèmes.

Complexité et propriétés émergentes

Bon nombre des aspects les plus critiques du fonctionnement d'une cellule résultent du comportement collectif de nombreuses parties moléculaires, agissant toutes ensemble. Ces propriétés collectives - souvent appelées «propriétés émergentes» - sont des attributs essentiels des systèmes biologiques, car la compréhension des parties individuelles à elle seule est insuffisante pour comprendre ou prédire le comportement du système. Ainsi, les propriétés émergentes proviennent nécessairement des interactions des parties du plus grand système. À titre d'exemple, une mémoire qui est stockée dans le cerveau humain est une propriété émergente car elle ne peut pas être comprise comme la propriété d'un seul neurone ou même de nombreux neurones considérés un à la fois. Il s'agit plutôt d'une propriété collective d'un grand nombre de neurones agissant ensemble.

L'un des aspects les plus importants des parties moléculaires individuelles et des éléments complexes qu'elles constituent est l'information que les parties contiennent et transmettent. En biologie, l'information dans les structures moléculaires - les propriétés chimiques des molécules qui leur permettent de se reconnaître et de se lier les unes aux autres - est au cœur de la fonction de tous les processus. De telles informations fournissent un cadre pour comprendre les systèmes biologiques, dont l'importance a été capturée de manière perspicace par le chimiste physicien théoricien américain Linus Pauling et le biologiste français Emil Zuckerkandl, qui ont déclaré dans un document conjoint: «La vie est une relation entre les molécules et non la propriété d'aucune une molécule. " En d'autres termes, la vie est définie en termes d'interactions, de relations et de propriétés collectives de nombreux systèmes moléculaires et de leurs parties.

L'argument central concernant l'information en biologie peut être vu en considérant l'hérédité de l'information, ou la transmission de l'information d'une génération à l'autre. Pour une espèce donnée, les informations de son génome doivent persister au travers de la reproduction afin de garantir la survie de l'espèce. L'ADN est transmis fidèlement, permettant à l'information génétique d'une espèce de perdurer et, au fil du temps, d'être influencée par les forces évolutives. Les informations qui existent aujourd'hui dans les êtres vivants se sont accumulées et ont été façonnées au cours de plus de 3,4 milliards d'années. Par conséquent, se concentrer sur l'information moléculaire dans les systèmes biologiques offre un point de vue utile pour comprendre comment fonctionnent les systèmes vivants.

Que les propriétés émergentes dérivées de la fonction collective de nombreuses parties sont les propriétés clés des systèmes biologiques est connue depuis au moins la première moitié du 20e siècle. Ils ont été largement étudiés en biologie cellulaire, physiologie, biologie du développement et écologie. En écologie, par exemple, le débat sur l'importance de la complexité dans les systèmes écologiques et la relation entre complexité et stabilité écologique a commencé dans les années 1950. Depuis lors, les scientifiques ont réalisé que la complexité est une propriété générale de la biologie, et des technologies et des méthodes pour comprendre les parties et leurs comportements interactifs au niveau moléculaire ont été développées. Le changement quantitatif dans la biologie, basé sur des données biologiques et des méthodes expérimentales, a précipité un profond changement qualitatif dans la façon dont les systèmes biologiques sont vus, analysés et compris. Les répercussions de ce changement ont été immenses, entraînant des changements dans la façon dont la recherche est menée et dans la façon dont la biologie est comprise.

Une comparaison avec l'ingénierie des systèmes peut fournir des informations utiles sur la nature de la biologie des systèmes. Lorsque les ingénieurs conçoivent des systèmes, ils explorent des composants connus qui peuvent être assemblés de manière à créer un système qui se comporte d'une manière prescrite, conformément aux spécifications de conception. En revanche, lorsque les biologistes examinent un système, leur tâche initiale consiste à identifier les composants et à comprendre les propriétés des composants individuels. Ils tentent ensuite d'identifier comment les interactions entre les composants créent finalement les comportements biologiques observables du système. Le processus est plus étroitement aligné sur la notion de «rétro-ingénierie des systèmes» que sur l'ingénierie de conception des systèmes.

Le projet du génome humain a largement contribué à cette révolution de la biologie d'au moins trois façons différentes: (1) en acquérant la «liste de pièces» en génétique de tous les gènes du génome humain; (2) en catalysant le développement de plates-formes technologiques à haut débit pour générer de grands ensembles de données pour l'ADN, l'ARN et les protéines; et (3) en inspirant et en contribuant au développement des outils informatiques et mathématiques nécessaires à l'analyse et à la compréhension de grands ensembles de données. On pourrait soutenir que le projet a été le catalyseur final qui a provoqué le changement de point de vue des systèmes en biologie.