Biologie des systèmes

La biologie des systèmes ou biologie systémique est le domaine de recherche interdisciplinaire des processus biologiques dans lequel les interactions des éléments internes et externes qui influencent le développement du processus sont représentées par un système mathématique. Cette approche «holistique» ou «globale» permet une compréhension intégrée du fonctionnement des systèmes biologiques (processus) et une compréhension plus profonde de la manière dont leurs interactions internes et avec d’autres systèmes conduisent à l’émergence (surgissement) de nouvelles propriétés. Pratiquement tout processus biologique peut faire l’objet d’une étude en biologie des systèmes, comme la croissance d’une cellule, l’interaction entre deux bactéries ou la circulation sanguine dans un organisme. La biologie des systèmes a commencé à se développer dans les années 1960, mais s’est imposée comme discipline académique vers 2000.
Conventionnellement, l’étude des processus biologiques utilise la méthode scientifique classique, qui repose sur la confirmation ou l’infirmation d’une hypothèse en la confrontant à des résultats expérimentaux. La biologie des systèmes utilise une approche différente basée sur la modélisation mathématique des processus étudiés. La simulation permet, en faisant tourner les modèles mathématiques qui représentent le processus, d’obtenir une série de prédictions de l’état du processus biologique qui correspondraient aux résultats expérimentaux attendus. Lors des simulations, le réseau d’interactions entre les éléments qui composent le processus biologique est représenté par un système d’équations différentielles. Les valeurs des caractéristiques de ces éléments à différents moments et dans différentes conditions expérimentales (simulées) sont prévisibles car la dynamique, c’est-à-dire les changements d’état du système modélisé, est mathématiquement calculable. Toutefois, on ne peut pas affirmer catégoriquement que la biologie des systèmes n’utilise pas la méthode scientifique, car elle fait largement appel aux méthodes expérimentales pour construire d’abord un modèle mathématique à l’aide d’un ensemble de données d’entraînement, qui doit ensuite être validé par un ensemble de données de réplication.

La biologie des systèmes est un domaine interdisciplinaire qui fait intervenir des médecins, des biologistes, des biochimistes, des mathématiciens, des physiciens, des programmeurs, des ingénieurs en contrôle automatique et en théorie des systèmes, entre autres.

Histoire

La biologie des systèmes trouve ses racines dans :
L’un des théoriciens qui peut être considéré comme un précurseur de la biologie des systèmes est Ludwig von Bertalanffy, pour sa théorie des systèmes généraux. En 1952, les neurophysiologistes britanniques et lauréats du prix Nobel Alan Lloyd Hodgkin et Andrew Fielding Huxley ont construit un modèle mathématique décrivant le potentiel d’action se propageant à travers l’axone d’un neurone. En 1960, Denis Noble a mis au point le premier modèle informatique d’un cœur qui bat.

Les années 1960 ont vu le développement de plusieurs approches de l’étude des systèmes moléculaires complexes, telles que l’analyse du contrôle métabolique et la théorie des systèmes biochimiques. Le succès de la biologie moléculaire dans les années 1980, associé à un scepticisme à l’égard de la biologie théorique, a fait de la modélisation quantitative des processus biologiques un domaine scientifique mineur.

Cependant, la naissance de la génomique fonctionnelle dans les années 1990 a permis de disposer d’une multitude de données de haute qualité, tandis que les possibilités de la science informatique se sont développées à pas de géant, permettant de construire des modèles plus compliqués et plus réalistes. En 1997, le groupe de Masaru Tomita a publié le premier modèle quantitatif du métabolisme complet d’une cellule hypothétique (simplifiée).
Vers l’an 2000, lorsque des instituts de biologie systémique ont été créés à Seattle et à Tokyo, la biologie systémique est apparue comme un mouvement à part entière, stimulé par l’achèvement de plusieurs projets génomiques, la longue augmentation des données omiques (par exemple, génomique, métabolomique et protéomique) et les progrès qui l’accompagnent en matière d’expérimentation et de bioinformatique. Depuis lors, plusieurs instituts de recherche dédiés à la biologie des systèmes ont vu le jour. Depuis 2006, en raison de la pénurie de personnes travaillant dans le domaine de la biologie des systèmes, plusieurs doctorats en biologie des systèmes ont été créés dans différentes parties du monde.

Applications

Les applications les plus importantes sont la pharmacologie et la biotechnologie.

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