Des processus biologiques complexes tels que le métabolisme impliquent souvent des milliers de composés couplés par des réactions chimiques. Ces chaînes de processus sont décrites par les chercheurs comme des réseaux de réactions chimiques. Des chercheurs de l'Université du Luxembourg ont développé de nouvelles méthodes mathématiques pour étudier les propriétés énergétiques de ces réseaux. Les scientifiques ont publié leurs découvertes dans la revue scientifique Examen physique X .
L'article préparé par le groupe de recherche du professeur Massimiliano Esposito étudie le fonctionnement de très petits systèmes biologiques au niveau moléculaire. Ces systèmes sont soumis à de grandes fluctuations de masse, qui rendent leur comportement difficile à prévoir. Pour les décrire, les chercheurs utilisent une approche probabiliste qui calcule la dynamique de ces systèmes en fonction de la probabilité statistique que des changements se produiront. En utilisant ces descriptions probabilistes, le groupe étudie comment ces systèmes échangent de l'énergie et de la matière avec leur environnement et la quantité d'énergie qu'ils dissipent au cours de ces processus – une discipline connue sous le nom de thermodynamique stochastique. Cependant, dans le domaine des réseaux de réactions chimiques complexes, les descriptions probabilistes deviennent irréalisables car des milliers de molécules sont impliquées. Les auteurs ont montré comment les méthodes mathématiques développées pour les petits systèmes peuvent être utilisées pour étudier ces réseaux.
"Actuellement, il manque des modèles thermodynamiques rigoureux pour ce type de réseau. Nos travaux ouvrent la voie à des caractérisations thermodynamiques de réseaux chimiques réels, comme le métabolisme, " explique Riccardo Rao, l'auteur principal de l'article. « Nous considérons ces réseaux comme des machines transformant certains composés en d'autres. Certains composés sont consommés car ils « alimentent » les processus. Notre description répond à des questions telles que :ce processus est-il efficace ? Quelle quantité d'énergie dissipe-t-il ? Si nous ajustons légèrement le système, comment va-t-il réagir ?"
À l'heure actuelle, leurs recherches portent sur des modèles de réseaux métaboliques, pour laquelle quelques approximations simplificatrices sont nécessaires. "Nous utilisons maintenant ce cadre pour étudier des classes spécifiques de réseaux de réactions chimiques, tels que les réseaux métaboliques, " a déclaré Riccardo Rao. l'équipe de recherche travaillera avec des biologistes et des chimistes pour tester et appliquer les résultats à des systèmes biologiques concrets. Des recherches dans ce sens avec des groupes du Luxembourg Center for Systems Biomedicine sont déjà en cours.
